冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

激光熔化沉积30CrNi2MoVA温度场数值模拟研究

30CrNi2MoVA钢被广泛用于军工炮管制备,由于工作环境恶劣,其零件表面易出现磨损、裂纹等损伤,常采用激光熔化沉积技术(laser melting deposition,LMD)完成表面修复工作。LMD过程中的热行为决定了材料组织演变从而影响零件的表面质量及力学性能。基于ABAQUS搭建LMD过程30CrNi2MoVA钢的温度场有限元模型。研究LMD过程中温度场的分布以及加工工艺参数对温度场的影响,分析了薄壁件沉积过程中的热历史及传热特征,并设计了相关实验验证模型的适用性。结果表明:LMD温度场沿扫描方向呈对称分布,激光功率每增大100 W,熔池最高温度增加约40℃,扫描速度则相反。随着沉积层数上升,热积累效应增大,熔池峰值温度升高,冷却速度降低。

镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展

作为先进航空发动机不可缺少的核心部件之一,镍基单晶涡轮叶片(简称单晶叶片)的空心结构尺寸精度、合金元素的分布均匀性和表面及内腔冶金质量等要求极为苛刻。研究发现,定向凝固过程中温度梯度的控制直接影响单晶叶片性能和质量,能否持续获得稳定热流成为定向凝固技术的关键。随着计算机技术的不断进步,数值模拟已经成为单晶叶片定向凝固研究的重要手段之一。首先,对单晶叶片制备技术进行了介绍,分析了定向凝固过程中的传热方式。其次,总结了数值模拟界面换热系数边界条件的优化方法,重点介绍了Beck非线性估算法和有限差分法在界面换热系数求解中的应用,证明了两种方法均可以对铸件/型壳间的界面换热系数进行求解,有效提升了温度场模拟的准确性。最后,对定向凝固过程温度场数值模拟的研究进展进行了追踪,总结归纳出了工艺参数对温度场的影响规律。基于对镍基单晶涡轮叶片定向凝固过程温度场数值模拟研究进展的分析,提出了定向凝固工艺优化方向以及相关技术后续的发展趋势,以促进单晶涡轮叶片的高质量研发。

30mm厚EH420船板钢三丝埋弧焊接温度场数值模拟研究

为了减少焊接时产生的高温对热影响区韧性的影响,分别研究了焊接线能量、焊丝功率分配、焊接电压和焊丝间隔对温度场的影响。基于Visual-Environment有限元软件,利用双椭球热源模型,对30 mm厚EH420船板钢三丝埋弧焊接温度场进行了数值模拟。结果表明:1)当线能量从150.26 kJ/cm降低到104.72 kJ/cm时,粗晶区峰值温度降低了322℃;2)当线能量相同时,前丝功率占比从25.00%上升到41.67%,且中丝功率占比不变的情况下,粗晶区峰值温度降低了56.79℃;3)提高焊接电压后,粗晶区峰值温度、熔深和熔宽变化较小;4)焊丝间隔从20 mm增加到45 mm,熔池长度增大了50 mm,并在焊丝间隔40 mm之后出现由单熔池向双熔池转变的现象,粗晶区峰值温度呈现先增大后减小的趋势,焊丝间隔在35 mm达到最高温度1183.62℃;5)从拟合结果得出,在焊接30 mm厚的EH420船板钢“Y”型坡口时,线能量应采用174.54 kJ/cm,在此线能量下前、中、后丝的功率占比采用15∶11∶7且焊丝间隔为20~30 mm,能够有效避免出现焊接缺陷。研究结果既可以保证焊接质量,又可以大幅提高焊接效率,为企业降本增效提供新方法。

基于COMSOL的LNG储罐温度场数值模拟研究

LNG储罐内的温度场分布对储罐的结构和性能有很大的影响。以国内某大型LNG储罐为研究对象,结合LNG储罐结构与材料成分,运用COMSOL多物理场软件建立了LNG储罐的罐顶、罐壁、罐底三个部位温度场模型并对三个部位的温度场模型开展了仿真模拟;在该基础上研究了环境温度对LNG储罐各个部位温度的影响。研究结果表明:罐底的保冷性能最差,罐壁对环境温度最敏感。该研究结果为相关工程实践提供了指导,为LNG储存和运输提供了技术支撑。

铝-钢非对称双束电子束焊温度场数值模拟研究

为了研究铝-钢异种金属电子束焊温度分布情况,基于有限元MARC软件建立了6061铝合金/Q345钢异种金属非对称双束电子束搭接焊的数学模型,模拟了不同电子束能量分配率对铝-钢异种合金焊接的作用和焊接接头处的温度场分布。通过计算模拟得到了不同电子束能量分配率的温度场分布云图、试件表面特征点的热循环曲线及电子束能量分配率对熔宽的影响。结果表明,随着电子束能量分配率增大,焊缝横截面模拟得到的熔化宽度减小,双束最高温度之间的差值越来越大,其中能量分配率为6∶4时熔化宽度和双束温度场均匀,为最佳。

激光焊接温度场数值模拟

激光焊接温度场数值模拟探讨了激光焊接的原理和特点,重点介绍了激光照射与吸收、熔池形成与凝固、焊缝形成与性能等方面,明确了激光焊接过程中温度场分布的规律以及其与焊接质量间的关系,有力地推进了激光焊接的技术发展。本研究依托有限元法、边界元法等先进的数值模拟方法,建立了激光焊接温度场的数值模拟模型,将焊接的实时控制和质量评定引入一个更为准确和稳定的理论框架内,提高了焊接技术的控制精度和稳定性。

高温下再生混凝土梁温度场数值模拟

再生混凝土是利用建筑垃圾形成的环境友好型材料,为扩大其应用范围,有必要对其高温性能进行研究。文章根据已有的各种理论模型对再生混凝土的导热系数和比热进行了理论分析与计算,并运用ANSYS软件对高温下再生混凝土梁进行温度场数值模拟研究,得到了构件不同测点的温度时间关系。结果表明,50%再生混凝土和全再生混凝土梁内测点温度相比普通混凝土梁分别下降约5%和20%。通过与课题组先前试验测试温度结果进行对比发现,数值模拟吻合度较高,说明再生混凝土构件有着较好的耐火性能。

某大跨拱桥拱座底板大体积混凝土温度场数值模拟研究

大体积混凝土由于水化放热引起内外温差过大,易产生裂缝,是工程施工中重点关注的问题.文章以某大跨拱桥拱座底板为研究对象,利用有限元方法进行了大体积混凝土水化放热数值模拟,分析了入模温度和外保温措施对温度场的影响,并为实际施工防裂提供了参考方案.研究发现,单纯控制入模温度难以使工程满足抗裂要求;合适的保温措施不仅能显著降低混凝土内表温差和开裂风险,而且还能延缓其出现时间.

差厚铝合金2024∕7075搅拌摩擦焊的温度场数值模拟

利用Abaqus有限元软件,建立差厚7075和2024铝合金的有限元模型和改进热源模型,进行模拟搅拌摩擦焊的焊接过程,分析了不同厚度比的温度分布,以及对焊核区和热力影响区的宽度变化的影响,并验证了所建模型应用的可行性。结果表明,铝合金焊件中的温度峰值随着厚度比的变化而改变,且温度在铝合金板上呈不对称的倒“V”形分布,板材上的温度峰值随着板材厚度变大而减小。焊接过程中温度越高焊件上的热力影响区就越宽。较大的厚度比会使得焊件的热力影响区宽度和焊核区宽度偏大。模拟得到的温度值和试验数据比较,两者的误差在8%以内,验证了模型的可行性。

喷风工艺参数对钢轨双频电正火温度场影响的数值模拟研究

由于钢轨闪光对焊后接头存在晶粒粗大等问题,无法满足性能要求,因此必须进行焊后热处理。常见焊后热处理一般分为两部分,即感应加热与喷风冷却,喷风冷却会通过冷速影响接头组织,在焊后热处理中占据重要地位。为了探究该过程,本文基于流体仿真软件FLUENT对U75V钢轨焊后热处理的喷风冷却过程进行数值模拟。仿真结果表明,正火喷风冷却时,轨腰与轨头的交界处上端出现最低流场流速,冷却速度较低,轨底两侧的流场流速最高,冷却速度最快。正火喷风冷却时的温度场具有以下分布特点。一是轨头与轨底中心温度高,轨腰温度低,三者的散热能力从高到低依次是轨底、轨腰、轨头;二是在喷风盒不同位置处采用不同喷风压力,采用降低轨腰与轨底的喷风压力、增加轨头的喷风压力的方法能够获得较好的冷却效果。

TC4/6061异种合金激光自熔钎焊温度场数值模拟

为了获得钛/铝异种合金接头界面温度场分布情况,深入理解钛/铝异种接头界面反应机理,采用有限元方法建立了TC4/6061异种合金激光自熔钎焊的移动高斯面热源模型,探究了不同激光功率下的钛/铝异种合金激光自熔钎焊接头温度场分布情况。研究发现,钛/铝异种合金接头温度场分布呈现出不均匀性。当激光功率为1600 W、焊接速度为15 mm/s时,异种合金接头界面上部、中部与下部的峰值温度分别为1299、984和865℃;当激光功率为1800 W、焊接速度为15 mm/s时,异种合金接头界面上部、中部与下部的峰值温度分别为1478、1119和982℃。通过工艺试验验证,模型具有良好的准确性,可为相关异种合金的激光自熔钎焊工艺数值模拟与参数制定提供借鉴。

考虑侧壁热源的摇动电弧窄间隙GMA焊接温度场有限元模拟

基于新型摇动电弧窄间隙熔化极气体保护(GMA)焊的电弧偏转现象,将在侧壁停留时的电弧热源分解为电弧分热源和侧壁热源,建立了考虑侧壁热源的热源模型,采用ANSYS软件建立新型摇动电弧窄间隙GMA焊的有限元模型,对考虑侧壁热源和未考虑侧壁热源时焊接接头横截面熔合线轮廓以及热循环曲线进行模拟,并进行试验验证;采用有限元模拟方法研究了考虑侧壁热源时摇动电弧窄间隙GMA焊接过程中的温度场,并与未考虑侧壁热源时的温度场进行对比。结果表明:模拟得到考虑侧壁热源时焊缝横截面左右两侧壁熔合线最高点的深度与试验结果间的差值小于未考虑侧壁热源时;考虑与不考虑侧壁热源2种条件下,焊接接头不同测试点的热循环模拟曲线的变化趋势与试验结果基本吻合,峰值温度的最大相对误差分别为1.8%和3.4%。考虑侧壁热源的热源模型能更加准确地描述摇动电弧窄间隙GMA焊过程中的热源分布特征。考虑侧壁热源模拟得到的底部熔深略小于未考虑侧壁热源时,而侧壁熔深则略大,但尺寸变化均小于0.1 mm;温度场稳定前,考虑侧壁热源时熔池的形成规律与不考虑侧壁热源的基本一致,但接头上表面的熔池尺寸略小,而温度场稳定后,接头上表面的熔池尺寸也基本一致。

盾尾刷更换时不同冻结加固方案温度场数值对比分析

更换盾尾刷时,防治盾尾渗漏是盾构隧道施工过程重难点.针对管片上放射性直接打孔一圈(方案1)、盾尾冻结管+预埋冻结管管片(方案2)和设置2根环形冻结管(方案3)更换盾尾刷时三种不同的冻结加固方案,分别建立数值模型对比分析各方案形成的冻土幕温度场的发展规律.结果表明:三种方案最终形成的冻土幕可有效防治盾尾渗漏,所形成的冻土帷幕体积方案3>方案2>方案1;盾尾间隙交圈密封时间分别为17天、2天和5天,该处冻结效果方案2>方案3>方案1;方案1改进措施为一圈放射状冻结管尽量靠近盾尾间隙布设,方案2和3在实际工程中均可采用;在盾尾刷更换时冻结加固方案建议采用方案3.

GIL管廊温度分布的数值模拟研究

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)管廊的热环境对线路的安全运行及使用寿命具有直接的影响,有效排除线路的散热可保证管廊合理的温度分布。以青岛市某地下GIL管廊为研究对象进行模拟分析,利用FLUENT软件建立了GIL管廊的物理模型,设定机械进风、机械排风的通风模式,分析冬夏两季正常工况以及非正常工况下管廊内温度的分布规律。通过分析模拟结果得知:管廊受进风温度的影响较大,送风温度越高使得管廊整体温度越高;夏季非正常工况下,出现电缆周围的局部温度过高,不能满足规范“不能高于40℃”的要求,应及时检修维护,尽量避免这种工况发生。研究结果可为GIL管廊通风系统的应用提供理论依据和技术指导。

不锈钢焊接温度场的三维数值模拟

分别详细分析了焊接热源的三种计算模型即高斯热源模型、双椭圆高斯热源模型及双椭球热源模型的数学表达式与物理特点。利用三维有限元网格划分技术,对工件进行网格划分,并采用网格自适应技术对焊缝金属的网格进行自动加密与生成,为缩短焊接过程数值模拟时间创造了条件。在此基础上又对其中两种焊接热源模型所建立的温度场进行了计算,得到了不锈钢SUS310材料温度场的分布规律,研究了各种参数对温度场分布的影响,并与工艺试验结果进行了比较,提出了适合三维有限元分析的最佳焊接热源模型。

基于CFD的冷藏车车厢内部温度场空间分布数值模拟

以短距离运输冷藏车为研究对象,建立了求解车厢温度场分布的计算模型。模型以车厢内冷气出风口风速、空气温度、车厢壁面以及货物区温度作为初始边界条件,采用计算流体力学(CFD)非稳态剪切压力传输(SST)k-ω模型,模拟不同边界条件和货物不同堆栈方式车厢内温度场分布情况;在特定边界条件下,交替改变出风口风速和货物堆栈方式,通过对比分析,确定最佳出风口风速和货物堆栈方式。结果表明当风速为5 m/s,堆栈方式为中间及两侧留空时冷藏车厢体内温度场分布均匀性最佳。经试验验证,模拟结果与实测结果基本吻合,温度平均绝对误差不高于1℃。

回采工作面温度场分布规律的数值模拟

从守恒原理出发 ,导出了描述矿井回采工作面风流紊流流动和温度分布的微分方程 .通过对矿内风流流动及热力过程的理论分析和现场实测 ,系统地开展矿内风流流场和风流温度场的分布规律及其耦合作用机理的理论分析研究 ,通过数值模拟 ,初步得出了矿井回采工作面风流温度与各种参数的变化规律 :回采工作面风流温度随风速提高呈负幂函数规律降低 ,随入风流温度升高呈线性升高 。

长寿高炉炉缸和炉底温度场数学模型及数值模拟

高炉炉缸和炉底的寿命是影响高炉长寿的关键因素之一。实现高炉炉缸、炉底与高炉寿命同步的措施之一就是在高炉炉缸和炉底冻结一层渣铁壳。要想冻结渣铁壳,在高炉设计时应将1150℃等温线推离炉缸和炉底热面,这就需要计算高炉炉缸和炉底的温度场。为此讨论了目前应用于高炉炉缸和炉底温度场的一些数学模型,并在此基础上开发了通用的炉缸、炉底温度场计算软件。

摆动焊接动态过程温度场数值模拟

通过对常用的摆动式焊接的温度场进行数值模拟,根据摆动式焊接的速度和方向变化的特点,在经典的双椭球热源模型的基础上建立了摆动电弧动态热源模型,采用大型商用MARC.MSC软件进行了三维温度场模拟,并采用热电偶进行测温,计算结果与试验结果相吻合。通过对摆动焊熔池的演变过程、温度曲线、峰值温度曲线进行了分析,研究发现,摆动式焊接与常规的无摆动焊的温度场特征不同,摆动焊的温度曲线在加热过程和冷却过程都有一个小波峰出现,熔池经历了多次加热冷却过程,并且熔池的峰值温度随横向摆动速度的增大而减小。