激光焊接与重熔自由表面温度分布及熔池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础,计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下,液态熔池的形成过程,以及温度场和流场.主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及熔池形状的影响.结果发现,熔池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱动的流体流动的影响,它在限制自由表面最高温度方面起着主要作用,合金元素汽化热损失的影响是第二位的.熔池的形状主要受液态金属涡旋方向的影响,在负的表面张力温度系数条件下,熔池浅而宽;在正的表面张力温度系数下,熔池深而窄.     

激光焊接与重熔自由表面温度分布及溶池形状的数值分析

以固液相变的统一模型方程为基础，计算了激光焊接与表面重熔不同加热模型条件下，液态熔池的形成过程，以及温度场和流场。主要考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对自由表面温度分布及溶池形态的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面温度分布及熔池形状的影响。结果发现，溶池自由表面温度和溶池形状主要受表面张力驱力的流体流动的影响，它在限制自由表面最高温度方面起飞着主要作用，合金元素汽化热     

脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.     

金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用

数值模拟了激光与金属铝相互作用的温度场和流场,求解热传递与层流耦合的PDE方程.数值模拟中选取符合实际光束分布的激光参数,考虑了自然对流、表面张力梯度引起的Marangoni对流和热物理参数依赖于温度的实际情况.针对γ/T<0,γ/T>0,γ/T=0等3种不同的表面张力梯度,计算得到了激光产生熔池的温度场、熔池速度场及熔池的形状.研究结果表明,金属材料内的温度场分布与入射高斯光束光强分布具有相似特征;Marangoni对流是熔池内液体流动的主要形式;γ/T的大小和正负对熔池内流体的运动起决定性作用,可对熔池形状产生很大影响,进而影响激光加工的质量.     

GTA焊接熔池特性的数值模拟

以GTA焊接熔池为研究对象,建立了304不锈钢材料的移动GTA焊接过程的数学模型,模型中考虑了电磁力、浮力和表面张力.利用大型通用商业软件Phoenics3.4进行数值模拟.通过引入液相分数标量描述界面熔融区,能量方程中将潜热转换为热焓源项,而动量方程则引入Darcy源项,由此建立统一的液固相控制方程,实现在固定网格下求解具有移动界面的熔化和凝固过程.应用该模型计算了不锈钢GTA焊接过程中的熔池形状、工件的温度场和熔池的流场,熔池形状计算结果与实际焊接结果吻合.     

静态水银液滴建模仿真研究

根据流体力学Young-Laplace公式和微分几何学主曲率方程,利用液体自由面的对称性质建立数学模型,并导出静态水银液滴自由面函数方程,然后对只有重力作用下的水银液滴建模,利用MATLAB求解出自由面函数方程,并仿真、绘制出了水银液滴在只有重力加速度下的自由面函数曲线,最后分析了影响仿真的因素.对静态水银液滴在重力加速度下的建模仿真,将对水银电容式加速度传感器的研究有重大意义.     

固体表面激光加工熔池特性的数值分析

通过引入液相分数标量描述界面熔融区,能量方程中将潜热转换为热焓源项,而动量方程则引入‘Darcy‘源项,由此建立统一的液和固相控制方程,实现在固定网格下求解具有移动界面的熔化和凝固过程.应用该模型详细分析不锈钢表面激光加工过程热传导、Marangoni和热浮力三种换热机制对熔化过程和熔池形状的影响.     

不锈钢薄板TIG焊三维熔池数值模拟与测量

以TIG焊熔池为研究对象,建立不锈钢薄板三维移动TIG焊熔池的数学模型.模型中考虑浮力、电磁力、表面张力、边界条件和热物性参数.利用Fluent软件,求解控制方程组,得到不锈钢薄板TIG焊接过程运动的熔池形状、温度场和流场.并用激光器发射激光点阵到电弧下方工件,由熔池表面镜面反射于成像屏上,高速摄像获得反射的激光点阵,通过数据恢复处理得到熔池边缘信息,用模拟结果进行对比分析.结果表明,所建立的三维运动熔池的模型是准确的,模拟所获得的1 820K等温线与试验获得的熔池边缘吻合良好,模拟熔池截面与熔透焊缝截面形态也有着较好的吻合.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

表面自由能模型的改进及液滴浸润数值研究

通过优化极值点位置,对表面自由能模型进行了研究和改进,改进后的模型解决了原模型中表面粒子聚集和液滴形状畸变的问题.采用移动粒子半隐式法(MPS)结合改进后的表面自由能模型,对受表面张力作用的自由面运动问题进行了研究和分析.研究了包括气液、固液和不互溶液液界面在内的表面张力收缩和液滴浸润过程,并提取了接触角及浸润面积等特征量进行分析.数值计算结果与理论分析结果吻合较好,从结果中可以明显观察到固液浸润过程的3个发展阶段,浸润速度随时间递减且与浸润接触角成反比.研究结果验证了MPS方法结合改进后的表面自由能模型可以更加有效、准确地模拟多界面张力的作用.     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

固体表面激光加工熔池特性的数值分析

通过引入液相分数标量描述界面熔融区,能量方程中将潜热转换为热焓源项,而动量方程则引入‘Darcy’源项,由此建立统一的液和固相控制方程,实现在固定网格下求解具有移动界面的熔化和凝固过程．应用该模型详细分析不锈钢表面激光加工过程热传导、Marangoni和热浮力三种换热机制对熔化过程和熔池形状的影响．     

不同工作模式下激光熔化沉积过程熔池演变数值研究

激光熔化沉积工艺中有连续波(continuous-wave,CW)和脉冲波(pulse-wave,PW)两种激光模式.基于Fluent针对熔池瞬态运动和传热传质建立了三维对称数值模型,通过求解VOF(volume of fluid)连续方程追踪沉积层自由表面,分析了不同激光工作模式下熔池的演变过程及上表面波动规律,对熔...     

氧含量对TIG焊瞬态熔池行为影响的数值分析

建立定点高斯热源作用下TIG熔池的三维瞬态数学模型,考虑焊接熔池内各项散热、焊件内部及表面传热、相变潜热、材料热物理性能参数随温度变化等问题,运用FLUENT软件及其UDF的二次开发功能,模拟不同氧含量对熔池温度场及速度场的影响.结果表明:表面张力温度系数发生转变时的临界温度对熔池温度场和速度场有着决定性影响,该临界温度随氧含量的增加而增加,并且随着氧含量增加逐渐向熔池中心靠近.随着临界温度线的转移,表面张力发生改变,熔池内的Marangoni对流也因此改变,进而使得熔池形貌从低氧含量时浅而宽的形状变成为高氧含量时的深且窄的形状.     

受到耦合的纵荡和纵摇激励的水槽中粘性流体晃动的数值模拟（英文）

一种预估-校正有限差分方法被建立用来研究耦合的纵荡和纵摇激励对受到共振激励的水槽中粘性流体晃动的影响.通过已存在的解析解和数值解对数值模型进行了验证.可以看到流体的粘性会使自由面波产生非常明显的衰减.对于给定的雷诺数来说,如果水槽只是受到纵摇激励时,最大的晃动位移会随着激励振幅的增加而增加.但当水槽受到同时的纵荡和纵摇激励时,相应的自由面的振幅会变小且耦合的作用会改变自由面高度的时间历程曲线的形状.     

考虑自由表面的活性TIG焊熔池温度场与流场的数值分析

针对不锈钢定点活性TIG焊,采用焓-孔隙度法处理液-固相变化,采用流体体积(VOF)方法追踪熔池自由表面变形,考虑熔池所受电磁力、表面张力和电弧压力,建立三维非稳态熔池的数学模型.通过比较考虑和不考虑自由表面变形时熔池的温度场和流场,研究自由表面变形对活性TIG焊熔池中的传热和流体流动行为的影响.结果表明:当考虑熔池自由表面变形时,由于熔池中的对流现象减弱,使得最高温度增加,熔深变浅,熔宽增加,深宽比减小.考虑自由表面变形时熔池形貌更接近实际情况.     

电弧辅助铝合金熔融涂覆成形过程数值分析

针对金属熔融涂覆成形过程中铝合金铺展不充分的难点以及铝合金对激光吸收率低的问题,设计了惰性气体钨极保护焊电弧辅助预热的成形装置。基于有限差分法,采用Fortran语言自编程与Flow3D软件相结合的方式,分别建立了电弧热源对熔池产生的驱动力的单独作用模型以及耦合分析模型,并阐述了熔池内温度场和流场的演化过程。研究发现,当电流为200A时,熔池内驱动力影响由大到小的排序为表面张力、电弧压力、洛伦兹力、拖曳力、浮力,该结果可为驱动力耦合作用时熔池内部流场方向的演化提供分析基础。对焊接熔池与喷头流出的高温液体之间的传热传质过程进行了计算,发现高温液体在表面张力与分子亲和力的作用下,接触熔池的瞬间快速流进熔池。将数值计算结果与实验结果进行对比得到,熔池的最大宽度及高度误差分别为1.1%、0.6%,热影响区的最大宽度及高度误差分别为9.3%和5.4%,单层单道件的最大宽度和高度误差分别为3.5%及2.1%,表明数值计算模型对成形过程的分析有较高的可信度。     

不锈钢薄板大功率激光点焊温度与应力特性研究

以0.5 mm厚的304不锈钢薄板为研究对象,采用热-结构间接耦合法,获取其在3 000 W功率光纤激光器点焊加工过程中温度场和应力场的分布特点及变化特性.在温度场模拟过程中采用修正的锥形热源模型,并将模拟得到的焊点形状与实验得到的形状进行对比.结果显示:运用该修正热源模拟得到的温度场分布特点与实际加工过程相吻合; 模拟得到熔池的凝固速度均在4 000 K·s^-1以上,属于远离平衡态的快速凝固; 在焊接过程中,计算域的最大等效应力均分布在夹具位置,且在熔池周围出现环状的高应力区.     

激光深熔焊接运动熔池的动力学行为数值分析

针对连续激光深熔焊接,考虑表面张力、气化压力、浮力和液固之间内部作用力,以及熔池内层流、辐射和气液界面传热传质等因素,建立连续激光深熔焊接激光热源随熔深变化的自适应模型和小孔填充模型,并对熔池的深度、温度分布、流场分布以及相同焊速、不同功率下小孔的动态演变过程进行分析.结果表明:运动熔池形成过程中,焊速为0.08m/s,功率分别为1 600、2 000、2 400W,焊接时间t7.2ms时,小孔深度随时间成线性增长,当焊接时间t7.2ms时,小孔深度值发生高频振荡,但深度平均值趋于稳定;随着激光光束的移动,熔池金属绕过小孔,从小孔前部熔池流向后部形成环流,凝固形成"鱼鳞状凝固线".     

用Wagner本构方程对聚合物挤出胀大的三维有限元分析

采用有限元方法分析粘弹性聚合物熔体的三维挤出胀大。采用积分型本构方程 Wagner模型描述聚合物熔体的粘弹性记忆特性 ,并引入了非线性衰减函数。对于本构方程中偏应力张量给出了计算方法 ,采用迭代方法求解非线性方程组。并根据自由面处的边界条件 ,确定出口处自由面的最终位置。对圆形流道进行分析 ,结果与轴对称分析和实验相吻合 ,最后对矩型流道进行计算 ,得出挤出物的形状