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压缩电弧等离子体数值模拟分析

作　者: 张强
导　师: 李志勇
学　校: 中北大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 压缩电弧自由电弧电弧等离子体 ANSYS有限元软件数值模拟
分类号: TG403
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

压缩电弧作为一种新型、电弧能量密度高的电弧形式，近年来受到焊接工作者的广泛关注。相比传统自由电弧的焊接方法（如钨极氩弧焊），压缩电弧的焊接方法（如双钨极氩弧焊和空心钨极氩弧焊）拥有较高能量的电弧热源，在能保证得到优质焊缝的同时，还可以提高焊接效率。焊接电弧的产生本身就是一个非常复杂的过程，而压缩电弧是在传统自由电弧的基础上又加上了更为复杂的电磁耦合和电弧收缩。常规的实验方法对电弧产生机理的研究存在一定局限。在此背景下，本文利用ANSYS有限元软件对压缩电弧等离子体的物理特性进行数值模拟分析。首先，本文以TIG焊的电弧作为自由电弧的研究对象，对自由电弧进行数值模拟分析。对电弧模拟计算做出相应基本假设，建立了控制方程，对计算区域加载对应的边界条件，模拟了自由电弧产生过程，计算出自由电弧的温度场、电流密度、电磁力等物理量的分布。在此基础上，分别以双钨极氩弧焊和空心钨极氩弧焊的电弧作为压缩电弧研究对象，对压缩电弧等离子体进行了数值模拟分析。模拟计算出的结果分别与自由电弧做了对比分析。结果表明：在同等的焊接参数下，压缩电弧的物理参量所表现出来的电磁耦合程度比自由电弧更为强烈；在相同的焊接电流条件下，压缩电弧输出的电弧压力要比自由电弧的电弧压力小很多。本文通过对自由电弧和压缩电弧的数值模拟分析，发现数值模拟结果与实验测量值呈一致，对于压缩电弧焊接参数的优化和深入探究压缩电弧产生机理打下了良好的基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-22
  1.1 课题背景及研究意义  11-13
  1.2 压缩电弧产生原理  13-16
  1.3 压缩电弧研究现状  16-20
    1.3.1 双钨极氩弧焊研究现状  16-18
    1.3.2 空心钨极氩弧焊研究现状  18-20
  1.4 课题研究内容  20-22
第二章电弧等离子体数值模拟理论基础及有限元介绍  22-32
  2.1 电弧等离子体的热力学状态  22-23
    2.1.1 局部热力学平衡  22-23
  2.2 电弧等离子体流体动力学基础  23-25
    2.2.1 流体连续方程  23
    2.2.2 流体的压缩性  23-24
    2.2.3 流体的层流与紊流  24
    2.2.4 动量守恒方程  24-25
    2.2.5 能量守恒方程  25
  2.3 电弧等离子体传热学基础  25-27
    2.3.1 热传导  26
    2.3.2 热对流  26-27
    2.3.3 热辐射  27
  2.4 计算方法的选择  27-29
    2.4.1 有限差分法  28
    2.4.2 有限元法  28-29
  2.5 有限元数值模拟软件  29-31
    2.5.1 有限元软件类型  29-30
    2.5.2 ANSYS 有限元法软件  30-31
  2.6 本章小结  31-32
第三章自由电弧等离子体数值模拟  32-45
  3.1 基本假设和控制方程  32-34
    3.1.1 基本假设  32-33
    3.1.2 控制方程  33-34
  3.2 物理参数和计算区域  34-37
    3.2.1 物理参数  34-36
    3.2.2 计算区域  36-37
  3.3 求解思路和网格划分  37-39
    3.3.1 求解思路  37-38
    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  39-40
    3.4.3 流场边界条件  40
  3.5 TIG 焊电弧数值模拟结果分析  40-44
    3.5.1 模拟计算参数选择  40
    3.5.2 电场模拟结果  40-42
    3.5.3 磁场模拟结果  42-43
    3.5.4 流场模拟结果  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第四章双钨极氩弧焊电弧等离子体数值模拟分析  45-55
  4.1 建立有限元模型  45-48
    4.1.1 双钨极氩弧焊实际模型  45-46
    4.1.2 双钨极氩弧焊计算区域和有限元模型  46-48
  4.2 边界条件  48
    4.2.1 电场边界条件  48
    4.2.2 磁场边界条件  48
    4.2.3 流场边界条件  48
  4.3 网格划分和求解思路  48-49
  4.4 计算结果与分析  49-54
    4.4.1 模拟计算参数选择  49
    4.4.2 电场模拟结果  49-50
    4.4.3 磁场模拟结果  50-52
    4.4.4 流场模拟结果  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章空心钨极氩弧焊电弧等离子体数值模拟分析  55-65
  5.1 建立有限元模型  55-58
    5.1.1 空心钨极氩弧焊实际模型  55-56
    5.1.2 空心钨极氩弧焊计算区域和有限元模型  56-58
  5.2 边界条件  58
    5.2.1 电场边界条件  58
    5.2.2 磁场边界条件  58
    5.2.3 流场边界条件  58
  5.3 网格划分和求解思路  58-59
  5.4 计算结果与分析  59-64
    5.4.1 模拟计算参数选择  59
    5.4.2 空心钨极氩弧焊与 TIG 焊电弧特性比较  59-61
    5.4.3 空心钨极氩弧焊与 TIG 焊电弧特性差异分析  61-63
    5.4.4 不同气流量下，空心钨极氩弧焊电弧特性比较  63-64
  5.5 结论  64
  5.6 本章小结  64-65
第六章总结和展望  65-68
  6.1 全文总结  65-66
  6.2 未来展望  66-68
参考文献  68-72
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  72-73
致谢  73-74

压缩电弧等离子体数值模拟分析

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