（材料加工工程专业论文）基于fluent横向窄间隙tig焊数值模拟.pdf

摘要 摘要 窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术，其技术和 经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的主要方向之一。同时，横向窄间隙 t i g 焊实际运用中也遇到的焊缝两侧熔深不一致的难题。对于这一现象的产生目 前业界还没有深入的探讨也没有严密的理论支持。 本文借助f l u e n t 软件对横向窄间隙焊两侧熔深不一致的现象进行了模拟 分析。由于模拟过程涉及到自由表面和热源不固定等问题，众多传统的热源模型 不能满足课题的要求，所以本文在假设焊缝两侧热量输入等量的条件下建立了新 的对称热源模型。 本文得到了同一热源不同时间以及不同热源同一时间的计算结果，对温度场 和焊缝形貌进行了客观的描述，随后总结了横向窄间隙焊的特点和规律并分析了 横向窄间隙焊两侧熔深不一致的现象的产生机理。 本文亦依据模拟分析的结果对相关物理参数条件作出了优化得到了优化的 新流场和温度场，在此基础上对解决横向窄间隙焊两侧熔深不一致的现象提出了 自己的看法。 本文同时也介绍了大型商业通用c f d 软件f l u e n t 。在焊接模拟领域， 应用商业软件愈来愈成为一种趋势。以前人们普遍使用了a n s y s 、p h o e n i c s 、 m a r c 等软件，相比之下优秀的f l u e n t 软件在焊接领域的应用鲜有报道。本 文详细分析了软件的原理、结构及特点，并且在熟悉的基础上针对焊接模拟的特 殊性做了二次开发。 关键词f l u e n t ：数值模拟；窄间隙焊；t i g 焊；焊接熔池 a bs t r a c t n a r r o wg a pw d d i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ep r e f e r r e dt e c h n o l o g yi np r o d u c t i o n o fp l a t ow d d i n gt e c h n o l o g y i t st e c h n o l o g i c a la n de c o n o m i ca d v a n t a g e sm a k ei tw i l l b eo n eo f t h em a j o rd i r e c t i o n so f t h ed e v e l o p m e n to f w e l d i n gt e c h n o l o g y m e a n w h i l e , t h ea c t u a la p p l i c a t i o no fh o r i z o n t a li l a r r o wg a pt i gw e l d i n ge n c o u n t e r e ds o | r i n e p r o b l e m s w h e nw e l d i n gi nh o r i z o n t a lp o s i t i o n , i ti so b s e r v e dt h a tt h eb o t t o ms i d e w a l l p e n e t r a t i o ni sl o w e rt h a nt h et i p p e ro n e t h i sp h e n o m e n o n h a sn o tb es t u d yd e e p l yb y n o w i nt h i s p a p e r , f l u e n ts o f t w a r e w f l 8u s e dt os t i m u l a t ea n da n a l y s et h i s p h e n o m e n o n a st h es i m u l a t i o np r o c e s si m t o l v e sf r e es u r f a c ef l o w s ，m a n yo fh e a t r e s o u r c em o d d sn ol o n g e rm e e tt h er e q u i r e m e n t s s oan o wh e a tr c s o u r c em o d d ， w h i c hb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a tb o t hs i d e so fw e l da r eg i v e ne q u a le n e r g y , w a s e s t a b l i s h e d t h ed e t a i lo f t e m p e r a t u r ea n df l o wf i l e dw a sd e s c r i b e di m p e r s o n a l i t y u n d e rt h e h e l p o fr e s u l t so fs i m u l a t i o nr e s u l t , n e wo p t i m i z a t i o nf l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l dw e r eg o t t e ni nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h eb a s i s ，t h ep r o b l e mo f h o r i z o n t a ln a n o wg a pw e l d i n gp e n e t r a t i o nw i l lb cs o l v e dw e l l t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e dal a r g e - s c a l ec o m m e r c i a lc f ds o r w a r e - - - f l u e n t i n t h ef i e l do fw e l d i n gs i m u l a t i o n ，c o m m e r c i a ls o f t w a r eh a sb e c o m en l o r ea n dm o r e p o p u l a r m a n yc o m m e r c i a ls o f t w a r e ，i n v o l v ea n s y s ，p h o e n i c s ，m a r ca n ds oo n , h a v eb e e nk n o w nt oa 1 1 i nc o n t r a s t , t h ec a s eo ff l u e n t sa p p l i c a t i o ni nt h i sf i e l d w a sr a r e l yr e p o r t e d t h es o f t w a r ep r i n c i p l e s ，s t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sw a s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n tw a sd o n et o o k e yw o r d s ：f l u e n t ；n a r r o wg a pw e l d i n g ；s t i m u l a t i o n ；t i g ；w e l d i n gp 0 0 1 - 躲撵吼毕一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 铭挣燧氢 像二 日期：塑2 ：! ：! ： 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 首先阐述本课题的研究背景，指出窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚 板结构焊接的首选技术，其技术和经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的 主要方向之一；然后分析了窄间隙焊接和与此相关的温度场理论还有近年来广泛 发展的焊接热模拟技术的研究现状；最后针对目前存在的问题，提出了本课题的 研究意义和方法。 1 2 研究背景 自1 9 6 3 年1 2 月在铁时代杂志上首次发表了由美国b a t e l l e 研究所开发 的窄间隙焊接技术以来，窄间隙焊作为一种更先进的焊接技术，立即受到了世界 各国焊接专家的高度关注，并相继投入了大量的研究。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年 代属于窄间隙焊研究的高峰时段，至8 0 年代初，大多数窄间隙焊完成了试验室 开发阶段而进入工业生产试用阶段。窄间隙焊是焊接技术大家族的重要新成员， 作为一种特别工业技术，具有以下公共技术特征： 1 、应用现有的弧焊方法来完成填充方式的熔化焊连接( 未见应用的窄间隙焊 方法除外) 。 2 、焊缝横截面积比传统弧焊方法至少减少3 0 以上。 3 、坡口形状多为具有极小坡口面角度( o 5 0 - 7 0 ) 的v 形或u 形，或者i 形。 4 、一般采用单道多层和双道多层熔敷方式，且板厚方向上熔敷方式固定。 5 、焊接线能量相对较小( 双道多层方式时最为突出) 。 6 、在深窄坡口内的气、丝，电导入，侧壁熔合控制，气渣联合保护方式的 脱渣等方面分别采用了特殊技术。 与传统焊接技术相比，窄间隙焊具有以下诸多技术与经济的优越性： 1 、焊缝横截面积大幅度减少，焊接材料与电能消耗大量节约，从而在大幅 度提高焊接生产率的同时，也大幅度降低了焊接生产成本。 2 、热压缩塑性变形量的大幅度缩小且沿板厚方向上更趋均匀化，从而带来 接头的残余应力、残余变形减小。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 、深而窄的坡口侧壁有利于焊接区的冶金保护，焊缝金属的冶金纯净度更 高。 4 、较高的熔池冷却速度，相对较小的焊接线能量，使焊缝组织相对细小， 且焊接热影响区的塑、韧性损伤也大大减小，缺口韧性相对提高。 因此，窄间隙焊接技术已成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术，其 巨大的技术和经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的主要方向之一【1 】。 1 3 窄间隙焊接的现状 窄间隙焊是一种高焊接质量，高焊接生产率，低生产成本的特别工业技术， 尤其是其较高的力学性能，较低的残余应力于残余变形，很高的焊接生产率与低 的生产成本，决定该技术在钢结构焊接领域客观上存在着巨大的应用潜力和广阔 的应用范围。从技术角度看，其诸多的技术优越性决定着该技术在薄板除外的所 有板厚范围内均有极大的诱惑力。但从经济角度看，窄间隙焊接技术的确存在一 个经济板厚范围问题，一般来讲，板厚越大，其经济效益也越大。具有明显经济 效益的最小板厚，可称为窄间隙焊底下限板厚。该下限板厚随着结构的钢种，结 构的可靠性要求，结构尺寸及空间位置而别，但一般为2 0 - 3 0 r a m 。上限板厚只 取决于所开发的窄间隙技术的焊枪可达范围，理论上不存在上限板厚限制。已有 的窄间隙焊，焊接5 0 0 - - 6 0 0 r a m 的板厚，无任何技术障碍附，6 】。 世界各主要国家对窄间隙焊接已开展了广泛研究，现己取得了许多成就，窄 间隙焊的应用形式主要有埋弧窄间隙焊( n os a ) 、熔化极氢气保护窄间隙焊( n g m i o ) ，钨极氢弧窄间隙焊( n g t i g ) 和熔化极活性气体保护窄间隙焊( n g m a c ) ， 并在工业中得到应用。尤其是日本，从上世纪7 0 年代开始，对窄间隙焊接的研 究热情从来没有减弱，开发出了许多有使用价值的方法。从日本焊接学会2 0 0 0 年出版的压力容器及管道焊接新技术报告中可以看出，窄间隙焊接是今后焊接技 术发展的主要方向之一。以下对各种窄间隙焊接技术的特点作简单归纳。n gs a 根据不同板厚，坡口的间隙在1 毗6 m m 范围内，坡口间隙和焊丝直径比在 4 3 6 3 m m 之间，均采用每层两道和三道的方法焊接，但实验发现若采用每层一 道，进一步减小坡口间隙和焊丝直径比，焊接过程无法稳定。n g m i g 解决的技 术关键在于改善坡口侧壁的熔透，主要的研究方法有：双丝、单丝波浪变形、绞 合焊丝、焊丝摆动及旋转等方法，坡口间隙6 1 4 r n m 。n g t i g 坡口间隙为9 r a m ， 第1 荦绪论 用于7 0 m m 厚的碳钢和不锈钢的异质接头，存在的问题是钨极和坡口侧壁产生等 离子弧，会破坏焊接过程的正常进行。n gm a g 使用直流正接旋转送丝，可焊 接板厚2 0 , - - 2 5 m m 的对接接头，使用焊丝直径1 6 1 1 1 1 1 1 ，焊接电流大小为4 2 0 - - 4 8 0 a ， 坡口间隙在1 0 m m 左右 7 1 。 1 4 窄间隙焊遇到的问题 任何种新的技术的开发都会带来新的问题【8 , 9 1 ，产生新的挑战，特别是焊 接过程，加热冷却速度极快，熔池内部化学物理冶金反应复杂，这就必然带来焊 缝和热影响区成分不均匀和难以控制。焊接热影响区的范围大小可以从电子束焊 缝的零点几毫米到电渣焊的几十个毫米，其温度范围从材料的熔点一直到室温； 焊接接头中每个部位经受的热循环不同，热影响区的组织可由粗晶区、细晶区、 不完全重结晶区等部分组成，呈现一个连续的组织分布。因此，一切可能的热处 理过程都必定会在焊缝邻近的区域内发生。 法国法马通核能公司是法国阿尔法工业集团和德国西门子的合资公司，业务 重点为设计并建设最具代表性的高科技产业之一核电站。法马通公司是一个制造 核电站部件的重要企业，主要产品有压水核沸水反应堆，高温反应堆，聚变反应 堆核快中子增值反应堆。该公司是最早进入中国核电市场的外国公司之一、广东 大亚湾核电站建设就使用了它的成套设备。 为了提高焊接生产率，他们采用三种先进焊接技术，即窄间隙g t a w ，双金 属窄间隙g t a w ，窄间隙g m a w 。然而，在窄间隙的横向焊接中，无论是采用 g t a 焊还是采用g m a 焊都会使接头下壁面熔深小于上壁面熔深。这一现象的产 生会使接头下壁面熔合不良，对于核电站部件高质量要求这种现象是不可接受 的。 北京工业大学工学硕士学位论文 图卜1 横向窄间隙焊 f i g 1 1n a r r o wg a pw e l d i n gi nh o r i z o n t a lp o s t i o n 图卜2 焊缝剖面图 f i g i - 2s e c t i o no fw e l d i n gj o i n t 在超窄间隙焊接过程中，由于超低线能量，所以保证两侧壁很好融合是形成 优质焊缝的关键，合理调配表面活性元素优化流场分布模式就显得极为重要，这 属于焊接材料方面的问题，关于这方面还有很多课题有待研究。 1 5 问题的提出 本研究正是根据法马通公司焊接生产中遇到的实际问题提出的，其目的是通 过对焊接过程的数值模拟，发现控制这一现象产生的物理本质，并用数值试验的 方式显现这一现象，提出解决上下壁面熔深差异的方法。 过去人们曾经试图采用常规的试验方法研究热影响区的组织和性能的变化 规律，但是由于焊接时的快速加热和冷却过程，致使狭窄的热影响区组织异常不 均匀，影响焊接接头性能的区域用常规的力学性能试样无法得出精确的试验数 第1 覃绪论 据，只能是焊接热影响区整体性能指标。对于熔池，因为其变化更加复杂和不易 控制，所以早期对其的研究仅停留在定性阶段。但是随着电子计算机的高速发展， 对焊接过程的微观描述也将变得可能。近年来广泛发展的计算机热模拟技术在焊 接过程自动控制、焊缝组织和热影响区组织还有力学性能方面取得了阶段性的研 究成果。 1 6 本课题研究的内容和意义 关于横向窄间隙g t a 焊接过程熔化与流体流动的数值模拟还鲜有报道，因 此，这一过程模拟有一定的难度，特别是要考虑流体流动各种力的作用，要考虑 由传热过程本身所决定的动态糊状区形状，要考虑类似与顺壁高粘度流体的自由 表面流动等物理现象的数学表征，给数值模拟带来一定难度。 结合以上课题的背景要求、现有的技术条件以及自身的实际情况，在本课题 中，所要做的主要工作是： 1 、在原有工作的基础上，建立横向窄间隙g t a 焊接过程的数学模型。 2 、分析单层单道窄间隙g t a 焊时熔化区域和自由表面形状。 3 、尝试采用f l u e n t 工程流体分析软件对窄间隙g t a 焊接过程进行仿真。 4 、提出横向窄间隙g t a 焊接上壁面和下壁面熔深不等的物理本质，并用数 值模拟的结果给予解释和过程再现。 1 7 本章小结 介绍了本课题的研究背景，从各种技术与经济性的角度得出熔化极气体保护 窄间隙焊是最有前途的焊接方法之一，还有目前国内外在窄间隙焊接、温度场理 论和相关热模拟技术等方面的研究现状，指出了熔化极气体保护焊实现超窄间隙 焊接过程中存在的困难。最后，针对提出的问题说明了本次研究的意义和相应的 研究内容。 第2 章数值模拟技术与商业软件 第2 章数值模拟技术与商业软件 2 1 引言 在数值模拟过程中，模型建立的是否准确将直接影响到计算结果的准确性。 要想得到理想的计算结果，首先要对所应用的软件有一个准确而详细的了解。 f l u e n t 是一个用于流体力学计算领域的大型商业软件，应用的范围很广，同时 这也说明了他不可能完全适用于焊接熔池形态的数值模拟。要想建立一个准确的 模型，必须在它自身所带的平台上加入相关的程序。对其进行开发，这就需要对 软件物理模型的建立，控制方程的形式，程序的结构，软件本身的特点，变量的 定义、储存等有一个详细的了解。本章介绍了作者在学习和掌握f l u e n t 软件时 的一些体会和认识，为结合研究任务编程计算打下基础。 2 2t i g 焊接温度场与熔池流场数值模拟的研究进展 对于焊接温度场的研究早在上个世纪3 0 年代就已经开始，d r o s e n t h a l ( 罗森 塞尔) i l l 】分析了移动热源在固体中的热传导，之后苏联的r y d a l i n ( 雷卡林) 12 1 3 1 又 进行了大量研究工作，在一系列假设条件下用解析法导出了一整套计算公式，但 是这些条件与焊接热传导的实际情况有很大的差异，致使距离热源较近部位温度 的计算出现了极大的偏差，而这正是整个焊接结构中最重要的也是我们最关心的 部位。所以从上个实际5 0 年代开始研究人员试图在雷卡林公式的基础上，针对 其不合理的假设条件对其从某一不合理的方面进行修正和改进，但是由于不能从 根本上解决问题，进展也不大。高速电子计算机的应用大大推动了焊接热过程的 研究进展，数值分析为准确计算焊接热过程提供了有力的工具，它可以处理各种 复杂的边界条件、热源的分布以及非线性问题，能够从根本上避免雷卡林公式固 有的缺陷。1 9 7 5 年加拿大的z 佩雷编制了可以分析非矩形截面以及常用的单层、 双层u ，v 型坡口的焊接温度场计算程序，所用的方法是有限差分法，考虑了材 料的热物理性能参数与温度的关系。在热源处理时采用半经验方法，将熔化线内 的单元都作为被加热单元，与实际情况比较符合。他根据计算数据绘制了焊缝各 个断面的等温线图、某些点的热循环曲线以及三维温度场图。但是，其假定工件 为无限长并且忽略了工件与周围环境的热交换。1 9 7 6 年美国学者gw 格努斯建 北京工业大学工学硕士学位论文 立了用有限元计算二维焊接温度场的分析模型。该模型将导热系数和比热作为温 度的函数，考虑到了相变潜热问题，采用的边界条件中涉及到了通过辐射和对流 与环境的热交换。但是他假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因为传到电弧前 面的热量与总的热输入量相比是比较小的，从而忽略了在电弧运动方向上的传 热。以上的模型都没有考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热作用，而把只能用 于固体的导热微分方程式一起用于液态熔池和熔池外部的固体区域，忽视了过热 液态金属熔池对传热过程的重要影响，为了克服上述固体热传导数值分析的局限 性，文献【1 4 】把热过程的分解分为两个问题：一是确定熔池的形状；二是以熔池 形状作为一个边界条件( 熔池边界处于材料的熔点) ，在固体中求解热传导方程。 焊接过程中溶化的液态金属与固态金属之间的界面总是处于材料的熔点，因此可 以将熔合面作为传热分析中的一个内定边界条件，熔池外部的传热计算机可以转 化为纯固体导热问题。我们认为这种处理方法是比较合理的，因此采用这种方法 建立窄间隙焊温度场熔池和h a z 的数学模型并进行计算。 国内外的许多学者 1 s - 1 8 对熔池进行很多研究，图2 - 1 为p e n n s y l v a n i a 州立 大学g g r o y 和t d c b r o y 完成的计算机模拟焊接熔池温度和流场示意图，从中 我们可以比较直观的看出焊接熔池中的温度分布还有高温金属流动模式，当然不 同焊接方法和不同的焊接条件下的温度场很速度场不尽相同。焊接熔池的热流主 要对流，而对流基于熔池内流体的运动，熔池内的温度梯度随流动速度的增加和 减小。流体的流动可由非对称磁场、表面张力梯度、等离子体和气体射流的拖拽 力，滞止压力、金属熔滴撞击力和浮力等引发【1 4 1 。在熔池内部，由于问题梯度 很大，并且因为表面张力的大小与温度有关，所以熔池表面存在表面张力梯度。 在许多情况下，表面张力梯度作为驱动液体流动的因素之一，影响到熔池内部液 体金属的流动形式。表面张力及其与温度的关系是流体主要流动模式的决定性驱 动力【1 蛆1 1 。如果表面张力随温度增加而减小，将在表明产生向外的流动，主要是 水平方向传递热量，获得宽而浅的熔池。如果表面张力随温度的增加而增加，则 在表面形成向内的流动，主要是垂直方向传递热量，形成深而窄的熔池，如图 2 2 所示。微量元素通过影响表面张力梯度而影响熔池内部液体金属的流动形式， 进而影响到熔化区的形状。对于表面活性元素( 如s 、0 等) ，当其在熔池中的 集中程度足够高时，就会产生一个正的表面张力系数，随着温度的升高，表面张 第2 章数值模拟技术与商业软件 力系数增加，因而表面张力梯度和洛仑兹力方向相同，驱使液体在熔池表面上向 内流动，并从熔池中部向底部流动，从而有足够的热量传递到熔池底部，这样熔 深增加；相反，当缺少表面活性元素( 或者与其他元素化合不起相应作用) 时， 表面张力梯度的方向有洛仑兹力的作用相反，流体流动强度就会有所减弱，传导 熔池底部的热量会有所减少，如果此时的表面梯度的作用大于洛仑兹力，那么流 体在熔池表面上会从中心向外流动，并且在熔池周界向下运动，这样就使得热量 传递到焊缝两侧部，形成宽而浅的熔池【2 3 1 。 图2 1 熔池温度场和流场模拟图 f i g 2 1g r a p ho f t e m p e r a t u r ea n df l o wf i l e di n w e l d i n gp o o l 图2 2 焊接熔池熔融金属流动方式 f i g 2 - 2m a n n e ro f f l o wi nw e l d i n gp o o l 在国内，武传松【“，2 5 1 根据流体力学理论与变分法原理，利用电弧压力、熔滴 冲击力及熔池本身重力与熔池表面张力之间的动态平衡，推导出了t i g 焊接和 m i g 焊接熔池上表面及下表面( 熔透时) 的变形方程，与实际情况更加符合。通过 同时求解能量方程、动量方程及上述熔池表而变形方程模拟了t i g 焊在熔透和 不熔透情况下熔池的流场、热场。 曹振宁【2 6 1 2 7 1 首次建立了熔透情况下三维t i g 焊接熔池流体流动及传热的数 值分析模型。该模型具有如下主要特点：( 1 ) 综合考虑了熔池内液态金属发生运动 的主要原因，即：由于熔池温度分布不均匀而产生的自然对流：由于焊接电流通过 斑点进入熔池后造成电流场的发散从而产生的电磁力：由于熔池表面温度分布不 均匀所引起的表面张力梯度。( 2 ) 考虑了焊接电弧压力、熔池表面张力和熔池本 身重力综合作用所产生的熔池表面变形。( 3 ) 考虑了工件熔透的情况。将熔透情 况下t i g 焊接熔池上下表面变形的计算过程与熔池流场与热场的计算过程相结 合( 同时计算) 。上述特点使得该模型更为符合t i g 焊接热过程的实际情况，也使 t i g 焊接熔池流体流动及传热过程的研究向前迈进了一步采用非正交贴体曲线 嘞孝 北京工业大学工学硕士学位论文 坐标系成功的处理了熔池上下表面的曲面边界。通过将非正交贴体曲线坐标系、 直角坐标系、非均匀网格以及交错网格的有机结合，实现了具有上下表面变形的 熔透熔池中的流场与热场的数值计算。 郑炜阿】建立了脉冲t i g 焊接熔池流场与热场的三维动态模型。定量分析了 脉冲t i g 焊接规范参数与接头温度场及焊缝成形间的关系。通过分析得到以下 结论：在温度场的建立过程中，随着焊接电流的周期性交化，各点温度均发生周 勰性交化，离焊缝中心线越近的点温度达到宏观准稳态所需的时间越短，对电弧 脉冲作用越敏感。熔池温度的变化同时受电弧热流及熔池内流体流动状态的共同 影响，流体流动方向直接影响着熔池内的温度分布；熔池内流体流动的主要驱动 力是表面张力梯度，因此熔池内的流场受熔池内的温度场的影响：熔池流场及温 度场的周期性变化，导致了熔池形状的周期性变化。脉冲t i g 焊接与恒流 r i g 焊接相比，脉冲t i g 焊接时，由于焊接电流的周期性变化使的接头各点都经历 了数次加热、冷却的作用，高温停留时间和恒流焊接相比缩短，使的脉冲t i g 焊接接头晶粒得到细化。 尽管焊接过程经历了很多复杂的过程，但是最终考虑的还是焊接接头的性 能，而焊接热影响区的转变尤为重要，因为焊缝的性能可以通过添加各种合金元 素得以优化，而焊接热影响区则不然，无法像焊缝一样通过添加合金元素得以改 善，所以焊接热影响区的组织和性能往往对整个焊接接头的性能起着决定性的作 用。因此深入研究热影响区中的各区段组织性能是非常必要的，然而热影响区中 的各区段非常狭窄，很难单独取出进行相应的试验研究。随着高性能电子计算机 的发展，焊接热模拟技术取得了长足的进步。 焊接热模拟技术从4 0 年代开始在美国、前苏联及日本等国家兴起，近年来 各国对该项技术及其装置的研究都非常重视，取得了很大的进展。我国从6 0 年 代开始研究焊接热模拟技术，近年来相继推出各种类型的焊接热模拟试验机，利 用这项技术为我国的国民经济发展做出了贡献。从第七、八届全国焊接学术会议 发表的研究论文可以看出，在焊接冶金及金属焊接性的研究中，采用热模拟技术 的约占2 0 左右。自1 9 9 0 年在哈尔滨举行第一届全国材料物理模拟学术会议( 暨 国际动态热、力模拟学术会议) 以来，我国材料及热加工模拟技术已取得了很大 的进步，该领域的研究和应用己达到了很高的水平，随着计算机技术的发展，材 第2 章数值模拟技术与商业软件 料及加工模拟技术己经成为材料科学中非常活跃的研究领域。物理模拟及数值模 拟技术使材料科学的研究定量化及科学化，不再是定性的经验型的低水平研究。 由中国机械工程学会材料学会等单位发起的，在1 9 9 9 年四季度举行的“第三届 材料和热加工物理模拟和数值模拟国际学术会议”上展示了我国材料模拟技术近 年来取得的一系列成就。 在焊接热模拟软件方面，一些通用的有限元分析软件如m a r c 与a d a q u s 等都可以对焊接温度场、焊接力学场进行模拟，但对存在流体动力学、相变动力 学、蠕变以及粘弹塑性相结合的复杂焊接过程进行了很多简化假设，有很大的局 限性，不能保证高度非线性和大变形焊接问题解的收敛性和精度。因此，很多学 者都致力于焊接模拟专用软件的研究与开发，国际上较有影响的有m a g s i m 和 s y s 、砸l d 。 随着科学技术的发展，焊接工艺方法及焊接材料的研究、开发工作都在不断 地创新与进步，新型的金属材料及焊接构件的焊接接头能否在受热及受力的情况 下正常工作，是设计、制造及使用部门普通关注的问题，还有更新的焊接方法和 工艺的推出，如窄间隙焊就具有极大的发展潜力，但是其中还有一系列技术上的 难题有待解决，我们首先考虑的方法是用焊接热模拟技术对焊接过程的有关重要 参数，如熔池的最大熔深、熔宽，还有热影响区的宽度等等做一些理论上的研究 工作，最后采用试验的方法对其进行验证，由此不但可以推进理论研究的不断完 善和提高，而且可以为焊接工艺参数的制定更科学的依据。 2 1 3c f d 软件简介 c f d 通用软件包的出现与商业化，对c f d 技术在工程应用中的推广起了巨 大的促进作用。在此之前，航空和航天工程一直较重视c f d 技术，并早已研制 出用于气动设计的专业性应用软件包。但在其他方面，主要还是在学术范围内开 展研究工作，真正在工程设计中实际应用并不多。显然，c f d 技术艰深的理论 背景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界推广。一般工程技术人员很难 较深入地了解这门学科，由专家编制的程序用起来也不容易，因为总有不少条件、 参数要根据具体问题以及运算过程随时做出修改调整，若不熟悉方法和程序，往 往会束手无策，此外，前、后处理也显得十分棘手。c f d 研究成果与实际应用 的结合成为极大难题，这一切曾使人们对c f d 的工程应用前景产生疑虑。在此 北京工业大学工学硕士学位论文 情况下，通用软件包应运而生。 目前，各种通用c f d 商业软件包如p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r - c d ，c f x ， n u m e c a 等2 明在我国市场上己经很流行，这些商业软件包为我国流体力学相关 问题的研究提供了有效的工具p 们。在全球众多的c f d 软件开发、研究厂商中， f l u e n t 软件独占4 0 以上的市场份额，具有绝对的市场优势。在商用c f d 的发 展历程上，f l u e n t 软件是绝对的领导者和技术先行者。 商用c f d 软件发展历史记录下了f l u e n t 软件所创造的众多第一： l 、第一个交互式的、用户界面友好的商用c f d 软件。 2 、第一个引入雷诺应力湍流模型做为标准的特征。 3 、第一个基于完全非结构化网格的商用c f d 软件。 4 、第一个提供标准并行处理能力。 5 、第一个提供处理任意边界变形的变形网格能力。 f l u e n t 通用c f d 求解器，基于有限容积法和非结构化网格。能够模拟层 流、湍流、无粘性流、多相流、自由表面流、相交流、传热传质、多孔介质、凝 固与熔化复杂的流动现象。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术， 因而f l u e n t 能达到最佳的收敛速度和求解精度。网格可由g a m b i t 、 g e o m e s h 、a n s y s 、p a t r a n 等软件直接输入。f l u e n t 支持变形网格和滑 动网格，能够生成不连续的网格，从而可以减少网格数目，提高运算效率。由于 采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能达到最佳的收 敛速度和求解精度。 f l u e n t 软件应用领域主要包括航空航天、汽车设计、船舶、生物医药、化 学处理、石油天然气、发电系统、电子半导体、涡轮机械、h v a c 、玻璃加工、 家用电器、食品、材料、冶金、核能、聚合物加工、体育、消费品、环境等。美 国宇航局( n a s a ) 、国防部( d o d ) ，能源部( d o e ) 等政府部门以及b m w - r r , g e ，p & g 、三菱公司、波音公司、福特公司等企业均是f l u e n t 的用户。 为了表彰f l u e n t 软件在二十多年来对工程界所做的贡献，2 0 0 3 年英国机 械工程师协会授予f l u e n t 软件i n l 。c h e ( u k 皿e f i t a g e 奖。f l u e n t 是第一个获 此殊荣的软件产品。 在中国，f l u e n t 软件的应用趋势更是令人瞩目，自1 9 9 8 年由北京海基科 第2 章数值模拟技术与商业软件 技发展有限责任公司引入以来，短短的几年内，f l u e n t 已经广为人知，成为各 大研究机构和公司进行计算流体力学方面的研究的首选软件。 2 4f l u 】三n t 程序结构 f l u e n t 程序软件包由以下几个部分组成 ( 1 ) g a m b i t 一用于建立几何结构和网格的生成。 ( 2 ) f l u e n t 一用于进行流动模拟计算的求解器。 ( 3 ) p r e p d f _ 一用于模拟p d p 燃烧过程。 ( 4 ) t g r i c 卜一用于从现有的边界网格生成体网格。 ( 5 ) f i l t e r 转换其他程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。 可以接口的程序包括：p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r - c d ，c f x ，n u m e c a 等。 利用比f l u e n t 软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图2 3 所示。首先 利用f l u e n t 进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用 于f l u e n t 求解器计算的格式；然后利用f l u e n t 求解器对流动区域进行求解计算， 并进行计算结果的后处理。“。 p 托p d f p 【) f 查表 p d f 程序 g a m b i t 设置几何形状 生成2 d 或3 d 网格 几何形状 或网格 2 d 或3 d 网格 f l u e n r 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 边 界 网 格 网格 其他软件包，如 c a d ，c a e 等 界 和 体 网 格 t g - f i d 2 d 三角网格 3 d 四面体网格 2 d 和3 d 混合网格 图2 - 3 基本程序结构示意图 f i g 2 - 3s k e t c h o fp r o g r a ms t r u c t u r e 2 5f l i 皿q t 物理模型及算法 由经典混合理论建立的控制方程基于以下几个原理： 北京工业大学工学硕士学位论文 1 、如果混合体与其他混合体之间的相互作用能够被适当地处理，则可将混 合体视为孤立体系。 2 、混合体的所有性能是组分性能的数学组合( m a t h e m a t i c a lc o n s e q u e n c e ) 。 3 、混合体的平均聚集行为受与单独组分相类似的控制方程所控制。 因为这些原理包含了惰性混合假设，因此，将其应用于多相、多组元混合体 时要特别注意。一般来说，相可被看作是孤立的，而组元由于其原子级上的相互 结合，所以是不可分离的。再之，非惰性混合体的性能不是组成物性能的直接数 学组合，所以将混合理论应用于非惰性混合体系时需要补充关于混合体组元在原 子尺度上混合行为的有关信息。对于许多的实际应用，这种信息可由相图或经验 关系获得。 根据上述基本混合原理，结合以下几点假设： l 、混合体饱和条件成立( + g ，= 1 ) ； 2 、液相为层流、恒粘性的牛顿流体； 3 、除浮力项中的密度可变外，其它项中的密度均为常数； 4 、混合体( 糊状区) 内固液处于局部热力学平衡状态i = 乃； 5 、固相不变形且无内应力存在； 6 、糊状区被视为具有各相同性渗透率置的多孔介质。 由基本混合原理和假设，可推得总质量、动量、能量和溶质守恒型统一控制 方程组： 连续方程： 兰0 ) + v ( p 矿) = 0 ( 2 1 ) 动量方程： o ( p u ) + v ，( p v u ) = v 虽v u ) k - t t 岛p ( 、甜一心) 一罢( 2 - 2 ) 昙( ) + v ( p v v ) = v 幽丢v v ) 一警虽( v v ，) 一万o p ( 2 _ 3 ) + 卢g 屏( r t ) + 屈( z 4 一z 。4 ) 】 能量方程： 昙( 力) + v 。( p v h ) = v ( 考珊) + v ，亡取吃- h ) 一v ，似啊一硕矿一圪) 】 ( 2 - 4 ) 溶质方程： 第2 章数值模拟技术与商业软件 言( 4 ) + v 。( p 矽4 ) = v ( p d v f 4 ) + v 【寺w t - h ) 】( 2 - 5 ) 一v p ( h t - h ) ( v 一) 】 动量方程( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 等式右端第二项表示一阶拖拽力( f i r s t - o r d e rd r a gf o r c e ) ，置是 与糊状区孔隙率有关的渗透率函数。( 2 3 ) 中右端最后一项是由热不均匀性和溶质 不均匀性诱导的浮力项，屏和危分别为热膨胀系数和溶质膨胀系数。能量方程 ( 2 q 和溶质方程( 2 5 ) 的右端的第一、二项表示净f o u r i e r 扩散通量，右端最后一 项表示由于相对运动而引起的能量通量和溶质通量。方程中的混合密度、混合速 度、混合焓、组元口的混合浓度、混合热导率、混合质量扩散系数，以及固相质 量分数和液相质量分数分别定义如下： p = p i g 。+ p l g l v = y l + f y t h = f s h i + ，i h t r = l f ；七f l 嚣 k = g l k i + g t k ， d = f ps l p ； z = 墨丛 z = 墨丛 ( 2 - 6 ) & 和毋分别为固相和液相的体积分数。固、液两相的焓分别为： r k = i c 嘏+ h ? 0 r h t = j c ，d t + h t 。( 2 - 7 ) 如果假设比热为常数，则固液两相的焓可分别表示为： h = e , t 北京丁业大学 二学硕七学位论文 h t = c t t + ( c ，一c ，) t + ( 2 - 8 ) 其中，设 m = o ，( | j l ，一t ) b l = 上，l 为相变潜热，正为共晶温度。 糊状区渗透率函数的数学表示需要考虑研究对象的生长状态，在目前的计算 中，大都假设渗透率是液相体积分数的函数，并且遵循k o z e n y - c a r m a n 方程： 口3 n 民i 南( 2 - 9 ) 肠是与糊状区形貌有关的常数。 整个计算区域被看作是多孔介质连续体，计算域内各相区的本质之差由液相 分数决定。在液相区，z = 1 ；在纯固相区，z = 1 ；而在糊状区，0 石 l 。 控制方程组中的速度为混合速度( 表观速度) ，各相区的混合速度可用同一数学式 表达，但对于不同的相区它的取值却不同。 v = k液相区 工t + 石巧 糊状区 ( 2 一l o ) 囿相区 这种处理方法不仅使所得的控制方程组具有通用形式，便于编程。而且还可以通 过源项中液相分数的变化，将各项区分开来。 控制方程组在整个求解区域内( 固相区、液相区和糊状区) 都是适用的。这是 由动量方程右端第二项d a r c y 阻力项的性质决定的。由渗透率函数的表达式可 知，对于纯液相区，石= 1 ，工= 0 ，渗透率函数髟一一，d a r e y 阻力为零，动量方 程中的混合速度即为实际流体的速度，此时，能量方程、溶质质量方程也相应地 成为纯液相区的守恒方程；在固相区，z = o ，z = 1 ，蜃一0 ，动量方程中的瞬态 项、对流项、扩散项相对于d a r c y 阻力项其值很小，整个方程由d a r e y 阻力项所 控制，迫使混合速度趋于零值。此时溶质质量方程转变为纯固相的热传导方程和 溶质扩散方程。在糊状区，d a r c y 阻力项的控制作用取决于空隙率的大小，因而， 混合速度随液相分数而变化。 我们可以把控制方程组写成统一的形式： 月 ( 砷) + v ( ，y ) = v ( f t v ) + s o ( 2 1 1 ) a i 其中。一广义变量( 如温度、速度、浓度等) ，l 一相应于。的广义扩散系数，& 一 广义源项。上式中第一项为非稳态项，第二项为对流项，第三项为扩散项，第四 项为源项，源项包括了所有不能归入非稳态项、对流项及扩散项中的一切其他项。 第2 蕈致值模拟技术与商业软件 在编制计算机程序时，只需写出一个求解方程的通用程序即可，我们可以对 不同意义下的中重复使用这个程序，具有很好的通用性：对于不同的。需要对 相应的和& 分别赋予各自合适的表达式，同时也需要给出相应合适的初始条 件和边界条件。由于控制方程的统一性，不需要给出固相区、糊状区和液相区之 间的边界条件，求解方法上也无需采用运动的数值网格或坐标映象技术来运动跟 踪相区间的界面边界条件，整个方程组的求解只需要显式地给出计算域的外边界 条件。 f l u e n t 软件的计算过程是将g a 她i t 形成的网格输出给f l u e n t ，由f l u e n t 来做迸一步的计算。进入f l u e n t 后开始定义一些求解所需要的必要参数，例如 速度、温度、尺寸等具体的边界条件。然后定义所需要的求解方程以及计算所采 用的模型，接下来对流体的物性进行定义。定义完物性后，选择离散方程时所采 用的格式，以及迭代收敛的准则、精度以及迭代步数然后进行计算。f l u e n t 的 计算结果可以用图示或数字来表示。从而得到用户所需要的计算结果。 f l u e n t 计算原理： 1 、f l u e n t 的核心算法为s i m p l e 法。s i m p l e 算法是由f a n t a n k a r 与s p a l d i n g 在1 9 7 2 年提出的嘲全称为s e m i - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e - l i n k e d e q u a t i o n s 意即求解压力耦合方程半隐方法。其计算步骤如下： 1 ) 假定一个速度场，以此计算动量离散方程中的系数和常数项； 2 ) 假定一个压力场p 3 ) 求解两个动量方程，得u + 、v ； 4 ) 求解压力修正方程，得p ； 5 ) 由p 求速度改进值u 、v ； 6 ) 利用改进后得速度场求解其他物理量m 的离散化方程( 如果中并不影响 流场，则应在速度场