1、基于ANSYS有限元对高频焊接三维温度场的模拟XXXXX大学本科生毕业论文 中文题目： 基于ANSYS有限元对高频焊接三维温度场的模拟 英文题目：Simulation of three-dimensional temperature field of high frequency welding based on ANSYS and finite element method 学 院： XXXXXXXXX学院 姓 名： XXXXX 学 号： XXXXXXXXXX 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： XXXXXXXX XXXX大学 2017届本科毕业论文选题审批表学院：XXXX学院 系别：机
2、械工程系 专业：材料成型及控制工程学生姓名学号指导教师职称助教所选题目名称：基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟选题性质： ( )A.理论研究 ( )B.应用研究 ( )C.应用理论研究 ( )D. 产品设计 ( )E.工程技术开发 ( )F.软件开发与应用 ( )G.其它选题的目的和意义：影响高频焊接质量的因素很多，而且这些因素在同一个系统内互相作用，一个因素变了，其它的因素也会随着它的改变而改变。在高频直缝焊管的生产过程中，焊接温度是影响焊缝质量的最重要的因素，建立高频直缝焊管的三维焊接温度场动态有限元计算模型，利用软件ANSYS编制APDL程序，针对焊接动态过程进行模拟仿真，采
3、用线热元模型进行计算，分析考虑材料热物理性能随温度的变化，以及辐射、对流、相变对温度场的影响。通过ANSYS对焊接温度场的模拟，可以得到低成本、高效率优化的产品设计方案，即可以得出这些参数和因素对高频焊接的影响，控制这些参数和因素可以提高高频焊接的质量和生产速度。 指导教师意见： 签字： 年 月 日学院意见： 签字： 年 月 日备注：XXXXX大学 2017届本科毕业论文开题报告及任务书学院：XXXXX学院 系别：机械工程系 专业：材料成型及控制工程论文题目基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟学生姓名学号指导教师职称助教一、 研究目的(选题的意义和预期应用价值)(一)选题的意义高频焊
4、接技术的出现和成熟，直接推动了直缝焊管产业的巨大发展，它是直缝焊管（ERW）生产的关键工序。高频焊接质量的好坏，直接影响到焊管产品的整体强度，质量等级和生产速度。影响高频焊接质量的因素很多，而且这些因素在同一个系统内互相作用，一个因素变了，其它的因素也会随着它的改变而改变。在高频直缝焊管的生产过程中，焊接温度是影响焊缝质量的最重要的因素，建立高频直缝焊管的三维焊接温度场动态有限元计算模型，利用软件ANSYS编制APDL程序，针对焊接动态过程进行模拟仿真，采用线热元模型进行计算，分析考虑材料热物理性能随温度的变化，以及辐射、对流、相变对温度场的影响。通过ANSYS对焊接温度场的模拟，可以得到低成
5、本、高效率优化的产品设计方案，即可以得出这些参数和因素对高频焊接的影响，控制这些参数和因素可以提高高频焊接的质量和生产速度。 （二）预期的应用价值 通过对高频焊管主要控制参数的有限元模拟，弥补了人为根据经验调节焊接控制参数的不足。在实际生产中，可以人工预先设置与有限元模拟所得理论值相符合的控制参数，实现对最佳焊缝温度场的精确控制，这对于实际高频焊接生产线上提高焊缝质量具有理论指导意义。二、与本课题相关的国内外研究现状，预计可能有所突破和创新的方面(文献综述)近20年来,国内外对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究,取得了不少成果。焊接应力与应变的数值分析研究包括:焊接动态应力应变过程、焊接残余
6、应力与残余变形、拘束度与拘束应力、消应力处理等。但应看到这些研究还处在初步阶段,还有许多工作需要深入研究,但必须正确阐明焊接现象的本质,才能建立起正确的模型。1979年E.F.Rybichi与R.B.Stonesifer利用有限元方法对管道系统环形对接焊管多道焊中的残余应力的分布与大小进行了分析,该模型分为温度分析模型和热应力分析模型两部分,温度模型包括了热输入、管件厚度、焊接速度、焊接热效率;应力分析模型包括了材料的热物性、弹塑性应力应变影响、管线几何尺寸和从弹塑性应力状态下线弹性卸载的影响。并且该模型中考虑了热机械性能和由于应力反向引起的卸载的影响。用该模型得到的7道焊和30道焊的残余应力
7、和实验数据相比较取得了良好的吻合性。1992年Y.Shim和E.Feng等开发了在厚板上多道焊焊接过程的残余应力沿厚度上分布的模型。该模型分两步进行,第1步是在板的二维横截面上的热流分析模型,对于横截面热输入模型使用一个倾斜热输入,防止数值不稳定性,也分析了移动热源的影响;第2步是开发一个结构模型并使用在第1步得到的热载荷来进行应力分析,在应力分析中使用了平面应变假设,焊道每一层被认为是整体焊道以减少计算时间,结果显示了与实验数据良好的一致性。 1983年陈楚等系统地分析了热弹塑性理论,推导出了有限元计算公式,并编制了相应的计算机程序,在1985年出版了专著/数值分析在焊接中的应用0。进入90
8、年代,随着计算机的发展,对焊接应力数值模拟向三维复杂结构发展,尽可能精确地建立物理模型,从而全面的分析焊接过程的物理本质,使模拟越来越接近实际焊接状况。19951996年汪建华等采用三维热弹塑性有限元法对焊接过程中的动态应力应变及焊后残余应力和变形进行了数值模拟,探讨了影响三维焊接热弹塑性有限元分析精度和收敛性的因素,包括焊接温度场的准确计算、导入修正加权系数、高温时材料性能匹配、网格和步长的正确选取等,同时对三维瞬态焊接温度场进行了有限元模拟与计算,认为焊接温度场均属于典型的非线性瞬态热传导问题,并提出了提高三维瞬态焊接温度场求解精度的若干途径。2000年魏艳红等对不锈钢焊接凝固裂纹应力应变
9、场数值模拟结果分析,通过单元再生方案消除了焊接结构中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响,并考63周建新等 焊接残余应力数值模拟的研究与发展虑了凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响,从而得出了较理想的焊接应力应变场。2001年清华大学赵海燕、张建强等对多层焊及焊缝金属熔敷进行了数值模拟。他们对多层焊焊接金属的熔敷是通过单元死活技术来实现的,同时用分段移动热源模型对焊接过程进行了数值分析,他们把移动的高斯点热源分段化,作为分段的带状高斯热源处理,在保证一定的精度的前提下,大大提高了计算效率。并且利用并行计算技术提高了焊接数值模拟和计算效率,通过适当调整材料高温性能参数有利于有限元解的收敛性。在焊接物
10、理模拟中,采用相似理论可以有效地减少模拟件的几何尺寸,减少节点自由度和计算工作量。2001年清华大学的鹿安理等对厚板焊接过程温度场、应力场进行了数值模拟。在简单构件的基础上进行了焊接过程三维数值模拟的初步研究,并且采用了热耦合算法,但只考虑了温度场对应力应变的耦合作用,而没有考虑应力应变场对温度场的作用。三、分析研究的可能性、基本条件及能否取得实质性进展(方案论证)高频焊接温度场的控制参数很多，需要通过对所有控制参数的调节来实现焊缝温度场的稳定，从而保证焊接质量，本研究通过建立合适的热源模型，编写APDL源程序，可以得到在焊缝温度一定条件下的焊接速度、焊管厚度和焊接电流3个主要控制参数之间的关
11、系，通过对三者的调节计算，可为自动控制焊缝温度场提供理论依据。 依据高频焊接过程中的热源方程，利用ANSYS有限元热分析模块，建立适当的线热源模型，编写APDL程序。建立高频焊管焊接温度场计算的三维动态模型,分析时综合考虑对流、辐射和相变各个因素对温度场的影响,采用比较接近现实的线形热源模型,获取该模型一组较为准确的数值和参数,运用APDL语言的循环语句实现了线形热源在工件上的移动可以建立焊接温度场的三维动态模型。四、课题研究的主要方法、策略和步骤 利用软件ANSYS编写出APDL程序，然后针对焊管的焊接动态过程进行模拟仿真。采用线热源模型进行计算，分析中考虑高频焊接的主要控制参数焊接速度、焊
12、接电流和焊管厚度以及材料热物理性能随温度的变化，还有辐射、相变、对流对温度场的影响。通过ANSYS软件在焊接温度场模拟应用的分析和总结，对高频焊管的焊接温度场的分布进行模拟模拟。五、研究进度安排12017.02.15-03.14 准备相关参考文献；22017.03.15-04.10 完成开题报告并做调研；32017.04.10-05.05 完成对研究材料的实验及分析；42017.05.06-05.31 完成英文翻译，撰写论文并检查； 52017.06.01-06.20 进行答辩准备及答辩。六、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日七、教学系意见系主任签字年月日七、学院意见院长签字年月日XXX
13、X大学2017届本科毕业论文中期检查表学院：XXXX学院 系别：机械工程系 专业：材料成型及控制工程论文题目：基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟学生姓名学号指导教师职称助教论文的进展情况：(课题工作量是否适中、已完成任务、未完成任务、完成课题存在问题和解决办法) 1.目前已查阅到很多与模拟三维温度场相关的文献、期刊，对论文有了多方面的了解。2.基本掌握了ANSYS软件的运行和操作，对模拟过程有了一定的认识，但是还不能很熟练运用ANSYS软件。 整个模拟能否顺利进行，需要得到老师的指导，并把存在的问题一一解决。 学生签字： 年月日指导教师意见： 指导教师签字： 年 月 日系主任意见：
14、 系主任签字： 年月日学院意见： 院长签字： 年月日XXX大学 2017届本科毕业论文指导教师评分表学院XXXX学院 系别：机械工程系 专业：材料成型及控制工程论文题目：基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟学生姓名学 号指导教师职 称助教指导教师评语： 评 价 项 目ABCDE选题质量01选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求02理论意义或实际价值能力水平03查阅文献资料的能力04综合运用知识能力05研究方案的设计能力06研究方法和手段的运用能力论文质量07写作水平08写作规范09论文的理论或实际价值指导教师评定成绩 优 良 中 及格 不及格 指导教师签字： 年 月 日毕业论文分
15、工情况：(多人合作时填写，包括本人研究的内容及其在课题中所占份量)备注： XXX大学 2017届本科毕业论文评阅人评分表学院：XXX学院 系别：机械工程系 专业：材料成型及控制工程论文题目：基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟学生姓名学 号指导教师职 称助教评 阅 人职 称评审项目指 标ABCDE选题选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求理论意义或实际价值能力查阅文献资料的能力综合运用知识能力研究方案的设计能力研究方法和手段的运用能力论文水平写作水平写作规范论文的理论或实际价值评阅人评定成绩优 良 中 及格 不及格意见及建议： 评阅人签名： 年 月 日XXXX大学 2017届本科
16、毕业论文答辩评分表 学院：XXXXX学院 系别：机械工程系 专业：材料成型及控制工程论文题目：基于ANSYS有限元对高频焊接的三维温度场模拟学生姓名学 号指导教师评分指导教师职 称助教评阅人评分答辩委员会/答辩小组名单姓 名性 别职 称学 位答辩小组职务 助教组长助教秘书 助教组员答辩委员会(答辩小组)评语：答辩委员会主任(或组长)签字：答辩时间： 年 月 日评审项目指标ABCDE论文评价选题符合专业培养目标，体现综合训练基本要求理论意义或实际价值查阅文献资料的能力综合运用知识能力研究方案的设计能力研究方法和手段的运用能力写作水平写作规范论文的理论或实际价值答辩表现论文陈述论文答辩答辩委员会综
17、合评定成绩优 良 中 及格 不及格毕业论文最终得分：摘 要焊接温度是在整个高频直缝焊管生产过程中影响焊缝质量的最重要的因素。建立一个高频直缝焊管三维焊接温度场动态有限元计算模型，利用软件ANSYS编写出APDL程序，然后针对焊管的焊接动态过程进行模拟仿真。采用线热源模型进行计算，分析中考虑高频焊接的主要控制参数焊接速度、焊接电流和焊管厚度以及材料热物理性能随温度的变化，还有辐射、相变、对流对温度场的影响。通过ANSYS软件在焊接温度场模拟应用的分析和总结，分别对ANSYS在焊接温度场模拟中热源理论基础、热源和边界条件的选择、温度场模拟步骤以及热循环模拟结果分析做出了相应介绍，用ANSYS软件具
18、体研究焊接温度场模拟。关键词：焊接；温度场；控制参数；ANSYSABSTRACTSoldering temperature in the whole production process ERW affect weld quality the most important factor. ERW build a three-dimensional temperature field dynamic finite element model, using the software ANSYS APDL write a program, and then for pipe welding dyna
19、mic process simulation. Calculated using the line source model, considered in the analysis of the main control parameters of high-frequency welding welding speed, welding current and the pipe thickness, and thermal-physical properties of materials change with temperature, as well as radiation, phase
20、 change, convection effect on the temperature field. By ANSYS software in the application of welding temperature field simulation analysis and summary, respectively, of ANSYS in heat welding temperature field simulation theory, heat and the choice of boundary conditions, the temperature field simula
21、tion procedures, and thermal cycling simulation results make the appropriate introduction, specific studies using ANSYS software simulation of welding temperature field.Key words：welding；temperature field；infrared temperature measurer；ANSYS目 录1 绪论 11.1 高频焊管的应用 11.2 高频焊接的影响因素 11.3 高频焊接温度场 11.4 ANSYS软
22、件介绍 21.4.1 前处理模块PREP7 31.4.2 求解模块SOLUTION 31.4.3 后处理模块 42 Q235-A钢的材料特性及应用范围 52.1 Q235-A的介绍 52.2 Q235-A的力学性能 52.3 Q235的化学成分 63 高频焊接 73.1 高频焊接 73.2高频焊接的原理 73.3钢管的高频焊接 84 直缝钢管高频焊接工艺 94.1 焊缝间隙的控制 94.2 焊接温度控制 94.3 挤压力的控制 94.4 高频感应圈位置的调控 104.5 阻抗器位置的调控 104.6 焊疤的清除 105 ANSYS中焊接温度场有限元分析和模拟 115.1 ANSYS温度场模拟主
23、要步骤 115.2 高频焊接过程线热源数学模型的建立 115.2.1 控制方程 115.2.2 边界条件 125.2.3 相变潜热 135.3 ANSYS建模及运算 135.4 网格划分 145.5 加载和求解实现动态过程 155.6 焊接计算过程的控制longba 165.7 温度场模拟及分析 16结论 20参考文献 21致谢 22附录ANSYS命令流 231 绪论1.1 高频焊管的应用由于高频焊管具有制造工艺简单能够连续快速生产的优势和特点，它可以应用于输送低压流体或者做成各种工程构件和轻工产品，所以在石化、轻工等很多部门得到很广泛的应用。特别的高频焊管近年以来在石油天然气等许多工业中越来
24、越广泛的被应用，很多有关提高高频焊管质量的研究得到越来越多研究学者的关注1-4。1.2 高频焊接的影响因素 高频焊接技术是直缝焊管生产的关键工序，它的出现以及发展成熟直接推动了高频直缝钢管生产产业的飞速发展，直缝焊管质量的好与坏直接影响了焊管的质量等级、整体强度以及生产速度等。在高频直缝焊管的生产过程中，影响高频焊管焊接质量的变化因素有许多，并且这些影响因素之间有复杂的相互作用和影响，如果其中有一个影响因素发生了变化，其它的影响因素可能随着变化因素的变化而改变。在这些变化因素中，焊接的温度对焊缝质量的影响最大。通过建立高频直缝焊管的三维焊接温度场动态有限元模型，利用ANSYS模拟软件编写出AP
25、DL程序，对高频直缝焊管的焊接的动态过程进行模拟仿真，采用线热元模型进行正确计算并且考虑和分析材料的热物理性能随着温度的变化，以及对流、辐射、相变等其他因素对温度场变化的作用和影响。通过利用ANSYS软件对高频直缝焊管焊接温度场的模拟分析，能够得到高效率、低成本的产品优化设计方案，即可以得到某些因素与参数对高频焊接的作用和影响，再通过控制这些参数和因素之间的的变化就可以提高频焊接的质量和生产速度。 1.3 高频焊接温度场由于高频焊接温度场的控制参数很多，需要通过对所有控制参数的调节来实现焊缝温度场的稳定5，从而保证焊接质量，因而这些研究对于整体把握高频焊接焊缝温度场作用不大。研究通过建立合适的
26、热源模型，编写APDL源程序，得到在焊缝温度一定条件下的焊接速度、焊管厚度和焊接电流3个主要控制参数之间的关系，通过对三者的调节计算，可为自动控制焊缝温度场提供理论依据。在实际的生产过程中，为了弥补只根据经验调节的不准确焊接控制参数带来的不足，往往通过预先设置模拟得到的与理论值符合的控制参数，从而实现对最佳的焊缝温度场的精确控制，以上对高频焊接生产线上提高高频焊管焊缝的质量有很大的指导作用和意义。焊件温度场分布很大程度的影响焊接质量，一是由于焊接温度场的分布直接通过热应变、热应力；二是它还可以间接的通过金属状态和显微组织变化导致的相变以及应变；三是焊接温度场的分布情况直接决定焊缝熔化、结晶、变
27、形和应力等状况。即整个焊件温度场的各个分布情况反映出来比较复杂的焊接热过程。残余应力与变形计算、焊接质量控制以及焊接冶金分析都要以比较准确的焊接温度场计算为前提6。以往为了得到焊接温度场分布的分析情况，学者和研究人员大都是通过进行试验进行测定并进行定量的分析，但是由于试验条件等诸多方面因素的影响，所得结论和数据并不准确7。随着计算机科学技术的发展，出现了比较先进的数值模拟技术和伴生有限元法，它们已经被广泛的应用在焊接和其它领域。1.4 ANSYS软件介绍 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
28、分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。1.4.1 前处理模块PREP7 实体建模ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱、称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，无论使用自顶向下还是自底向上
29、方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而雕塑出一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和拷贝实体模型图元的功能，附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能，包括四种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。自适应网格划分是在生成了
