點焊瞬態(tài)熱過程的有限元分析

1、Vol.26No.1第26卷第1期固體力學(xué)學(xué)報2005年3月March2005ACTAMECHANICASOLIDASINICA點焊瞬態(tài)熱過程的有限元分析侯志剛1,2王元勛1李春植2陳傳堯1(1華中科技大學(xué)力學(xué)系,武漢,430074)(2,煙臺)摘要基于ANSYS,.分析中考慮、,以避免.,得到了整個焊接過程的熱歷程以及焊件各部位的溫度分布,并且可以,同時本模型也可用于其它材料的點焊過程分析.關(guān)鍵詞點焊,瞬態(tài),電熱,耦合,有限元0引言mm.電極外徑11mm,內(nèi)徑5mm.電極采用錐形端電阻點焊因其高速度、高效率、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于金屬薄板結(jié)構(gòu)的制造當(dāng)中.但是點焊又是一個非常復(fù)雜的過

2、程,其中包含了電、熱、力、冶金等諸多過程及其耦合效應(yīng),而且過程都是瞬時和非線性的,因而單純通過理論或?qū)嶒灧椒ê茈y對其進(jìn)行全面深入的研究1.近年來,數(shù)值方法及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,為解決這一問題提供了強有力的手段,尤其是有限元方法,可以全面考慮隨溫度變化的材料屬性、接觸、相變以及多場耦合效應(yīng)等因素的影響2,3,采用迭代算法來解決電、熱、力的耦合問題4,5.首先由熱力分析得到應(yīng)力場和接觸狀態(tài),然后通過熱電耦合分析得到溫度場,再將溫度場輸入到熱力分析中更新應(yīng)力場和接觸狀態(tài).迭代更新的時間間隔很短,不斷循環(huán)直到解出整個焊接過程的溫度場和應(yīng)力場.但是,這種迭代方法非常耗時,很難用于大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析.本文

3、嘗試在盡量保持計算精度的情況下,對點焊瞬態(tài)熱過程的分析進(jìn)行適當(dāng)簡化,以期為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析建立基礎(chǔ).分析中考慮了隨溫度變化的材料屬性、相變潛熱和電熱耦合等因素,并對接觸問題進(jìn)行了簡化,使應(yīng)力場與溫度場解耦,從而避免耗時的迭代算法.1有限元分析1.1建模和網(wǎng)格劃分部,端面半徑3mm,角度=30°.圖1點焊過程的有限元模型和熱邊界條件采用ANSYS提供的分網(wǎng)工具對模型劃分了網(wǎng)格,如圖2所示.電極和薄板實體部分采用PLANE67電熱耦合單元,接觸區(qū)采用TARGE169和CONTA171單元.模型中共有三個接觸區(qū),其中接觸區(qū)1、2表示電極與工件的界面,接觸區(qū)3表示工件之間的結(jié)合面.為了兼顧計算

4、精度和計算效率,對接觸區(qū)附近的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化,其他部位的網(wǎng)格則相對粗糙.1.2邊界條件和輸入?yún)?shù)在點焊過程的分析中,涉及的物理現(xiàn)象比較復(fù)雜,因而邊界條件和輸入?yún)?shù)對于能否獲得合理的點焊是典型的軸對稱問題,所建立的模型如圖1所示.工件為低碳鋼薄板,厚度為1.5mm,半徑152003209201收到第1稿,2004210228收到修改稿.固體力學(xué)學(xué)報2005年第26卷98電極內(nèi)表面冷卻水的對流換熱系數(shù)為4.187×104W/(m2K),水溫10.電極外表面及工件表面的空氣自然對流換熱系數(shù)取25W/(m2K),空氣溫度21.對于軸對稱模型,其對稱中心線是絕熱邊界.模型的初始溫度設(shè)為室溫21

5、.(2)輸入電流,通電時s().,在0.2s之,0,直到0.6s結(jié)束.(3)材料性能在點焊過程中,材料經(jīng)受了大范圍的溫度變化,因此其性能按隨溫度變化來處理.表1列出了電極和計算結(jié)果有重要影響.為保證分析的可靠性,本文所低碳鋼在某些溫度的性能,輸入ANSYS后,由程序自采用的各種數(shù)據(jù)均引自相關(guān)的手冊和文獻(xiàn)68.動進(jìn)行插值和外推.(1)熱邊界條件表1低碳鋼和電極的材料性能溫度導(dǎo)熱系數(shù))W/(m電阻率10-8m×接觸電導(dǎo)×108/(m2)溫度比熱)J/(kg溫度焓×1010J/m3219320431642753864932087608719823059.98109330

6、0.1120464.7563.2555.3349.9444.8639.7734.9130.5028.4127.6628.56390.3380.6370.1355.1345.4334.914.22.644.572118.634.699326.744.8320437.65.055.11316342764.86.996.06538315.5310.38.989.4881.8101.1111.5115.8117.9120.9圖2低碳鋼電極低碳鋼電極結(jié)合面8.3119.1422.0626.0331.696497327602386477.37990.3912040.7714821.0

7、315211.277741004799118912041189502.422001.90443.8452.2510.8561.0611.3661.5762.01004397.8401.9418.7431.2439.6452.2464.7210930.032040.063160.114270.165380.226490.28低碳鋼電極低碳鋼#低碳鋼:固液相變區(qū)14821521潛熱:2.72×105J/kg密度:7800kg/m3電極密度:8900kg/m3(4)接觸電阻ANSYS對焓的定義如下一般來說,接觸電阻與電極壓力、溫度以及材料H=C(T)dT的屈服強度有關(guān).對于特定的焊接條件,

8、由于電極壓()力是恒定的,而材料的屈服強度主要受溫度影響,所式中為材料的密度,CT為材料的比熱,是溫度以可將接觸電阻簡化為溫度的函數(shù)48,具體數(shù)值由的函數(shù).根據(jù)上式計算低碳鋼的焓值,如表1所示.實驗確定.采用這一簡化方式,可以將接觸問題與溫2分析討論度場解耦,從而避免耗時的迭代運算.本文采用文獻(xiàn)通過計算得到焊點附近的溫度分布和熱歷程,并8給出的數(shù)據(jù),計算了結(jié)合面的接觸電阻,根據(jù)且可以分析焊核的形成過程.圖3顯示了結(jié)合面中ANSYS輸入的要求,換算為接觸電導(dǎo),也列入表1中.心、電極2工件界面中心及邊緣處的溫度隨時間變化(5)相變潛熱的曲線.圖4顯示了焊核以及熱影響區(qū)(HAZ)的形材料在熔化和凝固

9、時所吸收和釋放的潛熱會影狀.響溫度的分布,這種影響可以通過焓的變化來反映.第1期侯志剛等:點焊瞬態(tài)熱過程的有限元分析99圖圖4焊核與熱影響區(qū)(HAZ)形狀圖5點焊過程中的溫度分布圖5為焊接過程中四個典型時刻的溫度分布.圖心迅速升溫,由圖3可見,在第一個電流周期內(nèi),其溫5(a)顯示了焊接初始時刻的情況,可見結(jié)合面附近溫度就超過500.度較高,而其他部位仍保持初始溫度.隨后結(jié)合面中整個焊接過程中,最高溫度都發(fā)生在結(jié)合面中心固體力學(xué)學(xué)報2005年第26卷100處.在第六個電流周期的后半段,最高溫度達(dá)到1500.結(jié)合面附近的材料首先熔化,焊核開始形成,然后向周圍擴(kuò)展.圖5(b)顯示了該時刻的溫度分布,

10、此時焊核很小,形狀是一個很扁的橢圓.隨著溫度的升高,焊核不斷擴(kuò)展.在最后一個通電周期,焊核中心達(dá)到最高溫度2127,如圖5(c)所示,此時焊核完全形成.焊核的尺寸可以通過圖6測得.該圖顯示了焊核形成時刻沿結(jié)合面的溫度分布,其橫坐標(biāo)為焊核半徑(即圖4中的x.曲線上找到1500的點是焊核的半徑.(即圖4中的y軸).根而推測誤差可能是由不同的處理方法造成的,同時也據(jù)對稱性可得焊核尺寸約為6.8mm×0.9mm.0.2s說明本文簡化模型仍需要進(jìn)一步改進(jìn).時電流停止,結(jié)構(gòu)開始冷卻.焊核中心溫度下降很快,4結(jié)論由于相變潛熱的影響,在1500左右保持較長時通過計算,得到了點焊接頭的溫度變化歷程以及

11、間,到0.6s時,溫度降至1021,圖5(d)顯示了此各時刻的溫度分布.根據(jù)溫度場的結(jié)果,分析了焊核時的溫度分布.及熱影響區(qū)的形成過程,并測定其尺寸.采用本文方法與有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行的對比計算表明,本文提出的點焊熱過程有限元分析模型是有效的.圖7與文獻(xiàn)8對比計算的結(jié)果參考文獻(xiàn)1NiedHA.Thefiniteelementmodelingoftheresistancespotweldingprocess.WeldingJournal,1984,63(4):1231322BrowneDJ,ChandlerHW,EvansJT,etal.Computersimulationofresistancespo

12、tweldinginaluminum:partI.WeldingJournal,1995,74(10):339344圖6焊核半徑的測量與結(jié)合面中心相比,電極2工件界面中心的溫度3張洪武,顧元憲,鐘萬勰.傳熱與接觸兩類問題耦合作用較低,圖3顯示其最高溫度約為1080.但是電極2的有限元分析.固體力學(xué)學(xué)報,2000,21(3):217224工件界面邊緣處的溫度則相對較高,最高溫度達(dá)到4KhanJA,XuL,ChaoY,etal.Numericalsimulationof1346,這主要是因為電流的集膚效應(yīng),使得電極表resistancespotweldingprocess.NumericalHea

13、tTransfer,Part面的電流密度較大,因而接觸邊緣發(fā)熱較多.電極邊A,2000,37:425446緣也是應(yīng)力最大的區(qū)域,高溫與高應(yīng)力結(jié)合,是造成5RichardD,FafardM,LacroixM,etal.Carbontocastironelectricalcontactresistanceconstitutivemodelforfiniteelement電極周邊磨損的主要原因.analysis.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,132:3計算模型的驗證119131為了驗證分析的有效性,采用本文的方法,根據(jù)朱玉義.焊工實用技術(shù)手冊

14、.江蘇:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,文獻(xiàn)8中的參數(shù)進(jìn)行了對比計算.參照其圖5(本文61999未給出)的形式,繪出了本計算的結(jié)果,如圖7所示.對比兩圖可見,各點處的溫度歷程曲線形狀非常相8TsaiCL,DaiWL,DWDickinson,etal.Analysisand似,點1、5、6處的最高溫度吻合很好(誤差<5%),但developmentofareal2timecontrolmethodologyinresistancespot點2、3、4處的最高溫度誤差較大,最大誤差約19%.welding.WeldingJournal,1991,70(12):339351由于文獻(xiàn)8未給出高溫下材料參數(shù)的

15、處理方法,因7楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué).北京:高等教育出版社,1998第1期侯志剛等:點焊瞬態(tài)熱過程的有限元分析101FEMANALYSISFORTHETRANSIENTTHERMALPROCESSOFRESISTANCESPOTWELDINGHouZhigang1,2WangYuanxun1LiChunzhi2ChenChuanyao1(1DepartmentofMechanics,HuazhongUniversityofScienceand,Wuhan(2SchoolofMechtronics&AutomobileEngineering,sity,)AbstractAthermoelectricthermalbehaviorofresistancespotweldingprocess,moderatelysimplifiedtoavoidthetime2consumingiteratealgorithm,whilematerialproperties,phasechangeandconvectionalboundaryconditionsaretakenintoaccountmodel.Thethermalhistoryofthewholeprocessandthete