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激光-GTAW复合焊等离子体数值模拟

作　者: 张文朝
导　师: 李志勇
学　校: 中北大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 激光-GTAW复合焊接电弧等离子体数值模拟温度场 ANSYS软件
分类号: TG456
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

激光-GTAW电弧复合焊接作为一种全新的、高效高质的焊接热源，既充分发挥了激光和GTAW电弧各自的优势，又相互弥补了彼此的劣势，因此，得到了国内外科研人员和工业领域的广泛重视。应用数值模拟方法对激光电弧复合焊接进行研究，不但节省了实验研究所需的大量成本，而且可以有效地对复合焊接过程进行分析。基于此，本文应用大型有限元软件ANSYS对激光-GTAW电弧复合焊接电弧等离子体的特性进行了数值模拟研究。在对激光-GTAW电弧复合焊接过程进行数值模拟之前，首先应用ANSYS软件对GTAW电弧进行数值计算。并以GTAW电弧为基础，将激光能量密度以锥形旋体热源的分布形式与GTAW电弧同轴复合。通过改变电弧电流和激光功率等参数，研究激光电弧复合焊接电弧等离子体的变化特性。通过对激光-GTAW电弧复合焊接电弧等离子体的模拟研究发现，由于激光的加入，使得电弧等离子体的电流密度、磁感应强度、电磁力的大小以及温度分布等都有所增加。尤其是阳极区域附近增大的非常明显，与阴极区域相当。随着电弧电流的降低，电弧等离子体的温度、电流密度和流动速度等都会相应的降低，而激光对电弧等离子体的作用也越来越明显。同时，随着激光功率的增加，电弧等离子体的温度尤其是阳极附近的温度越来越高。通过对激光-GTAW电弧复合焊接的模拟，为进一步的研究激光复合焊接奠定一定的基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-22
  1.1 激光-电弧复合焊接  11-13
  1.2 激光与电弧相互作用机理  13-14
  1.3 激光复合焊的热源模型  14-16
    1.3.1 激光复合焊热源模型研究现状  15
    1.3.2 激光复合焊热源模型的发展前景  15-16
  1.4 激光复合焊接数值模拟研究现状  16-20
    1.4.1 小孔与熔池的数值模拟  16-17
    1.4.2 焊缝成型的数值模拟  17-18
    1.4.3 焊缝成型的数值模拟  18-19
    1.4.4 光-丝距离的数值模拟  19-20
  1.5 本课题研究的主要内容及意义  20-22
第二章激光-GTAW 复合焊接模拟理论基础及应用软件  22-33
  2.1 流体动力学数学基础  22-24
    2.1.1 连续性方程  22-23
    2.1.2 纳维-斯托克斯方程  23
    2.1.3 能量守恒方程  23-24
  2.2 热力学理论基础  24-26
    2.2.1 热传导  24-25
    2.2.2 热对流  25
    2.2.3 热辐射  25-26
  2.3 数值计算方法  26-28
    2.3.1 数值积分法  27
    2.3.2 有限差分法  27-28
    2.3.3 有限元法  28
  2.4 有限元应用软件  28-32
    2.4.1 有限元软件类型  28-29
    2.4.2 利用有限元法进行数值计算的一般步骤  29-31
    2.4.3 ANSYS 有限元软件  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章 GTAW 电弧等离子体的数值模拟  33-44
  3.1 基本假设与控制方程  33-35
    3.1.1 电弧模型基本假设[49-50]  33
    3.1.2 控制方程  33-35
    3.1.3 补充方程  35
  3.2 氩气物理参数及求解思路  35-38
    3.2.1 氩气的各种物理参数  35-36
    3.2.2 求解思路  36-38
  3.3 计算区域与网格划分  38-39
    3.3.1 计算区域  38
    3.3.2 网格划分  38-39
  3.4 边界条件  39-40
    3.4.1 电场边界条件  39
    3.4.2 磁场边界条件  39
    3.4.3 流场边界条件  39-40
  3.5 GTAW 电弧数值模拟结果  40-43
    3.5.1 电场模拟结果  40-41
    3.5.2 磁场模拟结果  41-42
    3.5.3 流场模拟结果  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第四章激光焊接及其热源模型  44-52
  4.1 激光焊接的分类及特点  44-46
    4.1.1 激光焊接的分类  44-45
    4.1.2 激光焊接的特点  45-46
  4.2 激光的类型及特征  46-47
  4.3 激光热源模型的选取  47-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章激光-GTAW 复合焊电弧等离子体的模拟  52-64
  5.1 激光-GTAW 电弧复合焊数值模拟模型  52
  5.2 激光-GTAW 电弧复合焊接模拟结果  52-57
    5.2.1 电场模拟结果  52-54
    5.2.2 磁场模拟结果  54-55
    5.2.3 流场模拟结果  55-57
  5.3 不同参数对等离子体温度的影响  57-63
    5.3.1 不同电流对电弧等离子体的影响  57-61
    5.3.2 不同激光功率对电弧等离子体的影响  61-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章全文总结和展望  64-66
  6.1 全文总结  64-65
  6.2 激光复合焊接数值模拟中的问题及发展趋势  65-66
参考文献  66-71
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  71-72
致谢  72

激光-GTAW复合焊等离子体数值模拟

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