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轧辊堆焊温度场的动态有限元模拟

原文作者:
  杜晗婷, 陈冰泉, 牟军伟, 韩方, 张正华
发布时间:
  2014-08-21
来    源:
  武汉理工大学材料科学与工程学院
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摘要: 利用有限元软件对轧辊堆焊温度场进行数值模拟。在模拟过程中, 实现焊接移动热源的施加, 较好地模拟了焊接电弧移动加热过程以及整个温度场的瞬态变化, 考虑了材料热物理性能参数与温度的非线性关系, 并以70Cr3Mo 的堆焊为例进行了实例计算, 计算结果与实测结果相吻合。
    随着有限元技术的发展与应用以及近年来计算机技术的突飞猛进, 已经有很多人进行焊接温度场的数值模拟, 其结果也初具成效[1-3]。但关于堆焊数值模拟的研究, 大部分是应用于平板堆焊的, 涉及到环形焊缝的研究并不多。在此以ANSYS 有限元计算软件为基础, 考虑了材料热物理性能的非线性变化, 采用移动热源的方式加载, 以轧辊材料70Cr3Mo的堆焊为例对其温度场进行了动态模拟。
1 有限元模拟的过程
     由于焊接过程的复杂性, 在对轧辊堆焊温度场进行数值模拟计算时, 应考虑许多因素[4- 6], 如材料物理性能参数的确定、焊接热源模型的处理、熔化潜热的影响等。为了提高模拟计算的可靠性, 必须提出恰当的数学物理模型。
1.1 焊接有限元模型的建立
1.1.1 定义材料属性
    材料的热物理性能参数数据不足是目前有限元模拟技术遇到的困扰之一。许多材料的热物理性能(比热容、导热系数、密度等)数据在高温特别在接近熔化态时还是空白, 某些材料仅有室温数据, 这就给非线性计算带来困难。
    早期的处理方法是采用材料物理性能参数的平均值进行计算, 但焊接过程中, 焊件温度变化十分剧烈, 如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化, 那么计算结果一定会有很大偏差。目前, 一般是通过实验和线性插值的方法获得高温时的一些数据, 而实验测试往往工作量大、对设备要求高, 通常只可能获得少数点的数据, 在此基础上插值就会导致结果不准确。目前最新的发展是应用金属材料性能模拟计算软件, JMatPro 就是其中之一。该软件以稳定的热力学计算为核心, 以经过广泛验证的物理模型为基础, 以强大的数据库为依托, 使材料性能预测的准确性大大提高。本研究运用JMatPro 软件对材料的性能参数进行预测计算, 获得了较为完整的轧辊热物理性能参数。
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