电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展

焊接过程的数值模拟作为一种有效的计算手段,在焊接温度场及残余应力分布的评价中获得了广泛应用,而焊接热源模型的选择及模型参数的确定直接影响到计算和评价结果的准确性.本文通过对近年来常用的电弧焊接热源模型进行梳理,介绍了其研究进展,分析了不同热源模型的特点及适用性.高斯面热源模型和双椭球体热源模型作为基础热源模型,广泛应用于较小尺寸工件和规则轨迹的焊接过程数值模拟,且具有较高的计算精度;简化热源模型和温度替代型热源模型多用于大厚工件的多层多道焊接及复杂轨迹焊接过程的数值模拟,能够实现效率和精度的统一;多丝电弧焊接热源较为复杂,采用修正后的双椭球体叠加热源模型,计算结果能保证一定的精度;结合型热源模型对熔池形状的描述更灵活,在深熔电弧焊的数值模拟中具有优势.本文可为电弧焊接过程数值模拟的热源模型选择和模型参数确定提供有益参考.     

5A06铝合金间断焊温度场的数值模拟

在红外测温实验的基础上,采用由表面高斯热源和内部双椭球热源组成的复合热源,对5A06铝合金筒形结构间断焊角焊缝的温度场进行了有限元数值模拟．模拟中综合考虑了对流、辐射等边界条件对焊接热过程的影响,对复合热源的各项参数进行了计算和校正、根据双椭球热源参数的定义,设计了相应的正交试验,采用解析法对热源参数进行计算并做了多指标回归分析．与红外测温结果相比,模拟的熔池形状较为准确,焊接热循环过程中温度误差约为7％．结果表明,表面高斯热源和内部双椭球热源组合的复合热源模型对计算铝合金MIG（熔化极氩弧焊）焊温度场是可行的．     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义,是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究,利用实验和数值模拟相结合的方法,通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布,确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内,分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响,结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

线性唯象传热定律下具有非均匀工质的一类非回热不可逆热机最大功率输出

我们对具有非均匀工质的一类非回热不可逆热机的最大功率输出进行了研究,考虑工质与热源间传热服从线性唯象传热定律[q∝Δ（T^-1）],利用最优控制理论分别导出了集总参数模型和分布式参数模型下热机的最大功率．研究结果表明分布式参数模型下的热机最大输出功率要小于或等于集总参数模型下的热机最大输出功率,且对实际热机更具有指导意义．对恒温热源下工作的不可逆热机特例,给出了其最大功率的解析表达式．采用数值计算方法给出了变温热源下的集总参数模型算例,分析了热源温度变化对热机最大功率的影响,并与牛顿传热定律[q∝Δ（T）]下的相应研究结果进行了比较．     

压裂水平井多裂缝系统不稳定压力动态特征

针对考虑无限导流裂缝的情况下,由于问题的内边界复杂化,水平井多段压裂形成的多裂缝系统,难以直接获得解析解,采用解析解与数值解相结合的半解析法构造计算模型,既保证有解析法的高精度,又具有数值方法的灵活性。对油气藏水平井压裂后的压力动态特征进行计算和不稳态压力特征进行分析和讨论,其不稳态压力特征的认识对于分析该类油气井的动态以及试井解释具有重要指导作用。     

激光焊接温度场解析计算

提出了一种激光焊接温度场的解析计算方法,将激光作用下形成的小孔区域作为均匀吸收介质,导出介质热源的功率分布三维解析式,以及由该热源引起的无限大薄板的温度场分布解析式。计算和实验验证该解析式的正确性,理论计算和实验结果符合较好,当小孔深度为零时,介质热源即为表面热源,所得到的解析式与其它热传导焊理论解析式一致。     

钢坯磨削三维温度场的理论分析

本文由钢坯磨削的特殊几何学首次建立了钢坯磨削半椭圆形面移动热源模型,基于这一模型和传热学分析,得到了热源热强呈矩形分布和三角形分布两种情况下的工件三维温度场的解析解,并进而得到了钢坯磨削中工件表层峰值温度公式:这些结果为钢坯磨削温度的理论分析提供可能,分析指出,高效钢坯磨削温度将很高,而提高工件进给速度和增大磨痕宽度、增大热源长短半(?)比,将有助于减少由此产生的热损伤程度,这些分析为认识钢坯磨削温度问题有重要意义,并且实际磨(?)试验结果和瞬时点热源法的数值计算结果也证实了这一理论分析的有效性。     

考虑非均匀掺杂衬底对一维MOST模型的修正

为了控制MOST的阈值电压和减小DIBL效应 ,必须对MOST的沟道进行离子注入。这种非均匀掺杂衬底MOST特性的最常用分析方法是数值模拟 ,但这种方法计算量大 ,不能得到解析模型 ,不适用于电路模拟设计。本文所提出的解析模型与SPICEMOS3模型形式相似 ,但其所有参数都是数值模拟的解析公式。新模型将数值分析与解析方法结合起来 ,具有精度高 ,概念清晰 ,计算量小等优点 ,适用于电路分析程序。     

应用BGK格式数值模拟微槽道中的气体流动

基于BGK-Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法,对不同Knudsen数下、压力驱动的二维微槽道流动进行了数值模拟,目的在于将BGK格式拓展应用于对微流动(常密度、流动Kn较大)的数值计算。通过BGK数值模拟结果与N-S方程加滑移边界修正的解析解以及MonteCarlo直接数值模拟(DSMC)结果的对比,揭示了BGK方法具有模拟结果良好并且计算经济的特点;结合以前的工作,可初步认为BGK在解决Knudsen数相对较大(0.1相似文献   

双移动热源热流值的计算和加载

通过分析双丝埋弧焊焊接过程和热源加热特点,建立了双丝焊接的几何模型和有限元模型.采用移动双椭球热源模型为双丝焊的焊接热过程的热源模型,阐述了一种新型双丝焊热场算法的设计思路和过程.利用有限元软件ANSYS二次开发工具即APDL语言改进和编写了移动双椭球热源的计算和加载程序.使用高效的数组存储、矢量操作命令进行热流值的分开计算和加载,提高了焊接模拟计算的效率,减小了数值模拟的计算量,实现了16 mm厚的钢板的双丝埋弧焊焊接过程的计算机仿真.通过实验验证了此算法的正确性和高效性,对实现大型焊接件焊接过程的数值计算具有一定的参考价值.     

脉冲激光激励下样品内热源的剖面重构

建立合适的物理实验及理论模型,通过理论解析得到激光热源的正反演公式及格林函数,并通过数值计算对不同类型分布的激光热源作剖面重构.数值结果验证了所用方法的可行性及有效性.激光热源分布的获得对进一步了解材料光学性质、激光与物质的相互作用等方面有很大帮助.     

新型波浪方程中类Sommeerfeld积分项的计算方法

给出的具有精确色散性的非线性波浪方程,方程中含有类Sommeerfeld积分项。积分项的数值计算是建立基于这一组方程的波浪模型的关键之处。针对这一积分特点,采用分段解析计算方法对这一积分项进行数值求解。数值结果和解析结果进行对比且两者吻合良好,表明这一计算方法是有效的,可用于建立基于上述方程的新型波浪模型。     

水火弯板计算中高斯分布热源模型各参数的实验确定

水火弯板数值计算所用高斯分布的热源模型中热流密度由热效率和热源半径决定,而热效率和热流密度主要取决于乙炔流量。通过实验与计算相结合的方法确定水火弯板常用乙炔流量范围内效率及热源半径与乙炔流量间的关系,并根据热效率及热源半径的取值偏差对计算结果的影响进行分析。结果表明,它们间的关系能满足水火弯板数值计算的精度要求。     

空调房间气流组织的数值模拟

应用计算流体力学的理论和方法模拟建筑物室内通风空调气流组织的湍流流动 ;使用了K-ε模型与SIMPLE方法对室内气流组织进行模拟 ,并对方程的离散、耦合求解以及SIMPLE算法等数值计算问题进行了论述 ,并以带热源的空调空间的室内气流组织为实例作了数值模拟和讨论     

已加工表面热源模型研究及磨削温度场数值模拟

为了利用浅磨模型对磨削温度场进行数值模拟,基于圆弧热源模型、砂轮和工件接触表面直角三角形热源,采用温度匹配法进行了反传热分析,建立了已加工表面热源分布形状的计算方法。该方法不需预先假设已加工表面热源的分布形状,即可根据具体的磨削条件,获得相应的热源分布形状,解决了以往已加工表面热源的分布形状常被假设为直角三角形、三角形、抛物线和椭圆等形状,但上述假设都是基于特定的磨削条件,不能普遍适用于所有磨削工况的问题。采用有限元法建立了磨削温度场的数值仿真模型(浅磨模型),计算了工件的磨削温度场,采用热成像仪测量了磨削温度场,结果表明:已加工表面热源的分布形状随着磨削条件而改变,磨削温度场的模拟结果与测量结果具有很好的一致性,磨削区已加工表面最高温度的模拟值与测量值之间相对误差在0.8%~9.5%之间,建立的浅磨模型可以准确地模拟工件的磨削温度场。     

数控机床进给系统热误差自适应解析模型

提出了基于丝杠热源表面检测温度的滚珠丝杠热误差预测解析模型.首先,基于变量分离法推导出丝杠轴一维热传导方程的解析解.然后,将两个轴承视为固定热源,将螺母简化为连续分布的多个可移动热源,给出了各热源激励起丝杠温度分布的解析表达式,进而依据叠加原理得出了多热源作用下丝杠轴温度的预测方程.依据各热源表面测点和中心温度的有限元计算结果,确定了其温度差随进给速度和时间变化函数曲线的拟合参数,进而提出了丝杠热误差预测的解析模型.最后通过试验验证了预测模型的有效性.     

超导约瑟夫森结直流I-V曲线的数值计算

基于超导约瑟夫森结的RCSJ模型的解析式为一非线性的二阶微分方程，对于该微分方程直接求解析解比较困难，故采用四阶龙格库塔法进行数值计算求解。经反复调用龙格库塔函数可得出约瑟夫森结的I—V曲线。并且，对这一求解过程及其关键部分进行了阐述，数值计算结果定性地解释了实验结果。     

考虑量子化效应的MOSFET栅电容减小模型

基于改进后的三角势阱近似和n型多晶硅的耗尽以及MOSFET的强反型的情况,建立了一个考虑量子效应的栅电容模型.分别对反型层电容和耗尽层电容进行定义、分析和计算,给出了MOSFETs栅电容解析表达式,并与数值模拟结果进行了比较.结果表明该模型是基于物理的解析模型,具有相当精度,便于电路模拟与设计.     

基于PEBI网格的水平井井底压力计算

针对PEBI非结构网格,研究了水平井的数值试井网格划分方法,推导出定流量下的耦合井筒储集系数与表皮因子的无限传导与均匀流量井产量计算公式;通过将水平井看作内边界,提出了水平井内边界模型,避免Peaceman水平井模型因井所在网格尺度变化对早期计算精度影响.根据提出的模型进行实例计算,并将计算结果与Eclipse公司的Weltest软件结果进行对比,对比表明,水平井内边界无限传导模型计算结果介于解析解与Peaceman模型结果之间,比Peaceman模型的更为精确,并且与解析解吻合更好;而在中后期水平井内边界均匀流量模型计算结果与解析解吻合很好.     

渡槽水体受激晃动特性的实验与数值研究

针对液体在晃动条件下产生的晃动动力响应问题进行了研究。研究采用物理实验模型与数值模型相结合的方法。物理模型部分对支撑结构上安装储水箱,并在振动台上进行加载;数值模型部分利用近年来发展起来的一种求解偏微分方程的新兴数值方法——基于径向基函数的近似特别解方法(the method of approximate particular solutions,MAPS)。对水槽侧壁上动水压力的最大值分布进行了计算研究,并将有计算得到的结果与解析解进行了对比研究。研究表明:LMAPS方法可以准确描述液体晃荡的形态与压力;并且具有较高的求解效率,有望为实际工程提供可靠参考意见。