飛輪焊接溫度場數(shù)值模擬研究

張 可，武登云，于國慶

（北京控制工程研究所，北京100190）

飛輪焊接溫度場數(shù)值模擬研究

張 可，武登云，于國慶

（北京控制工程研究所，北京100190）

密封焊接是飛輪裝配的關(guān)鍵工序，為了保證密封焊接的質(zhì)量，需要確定焊接過程中飛輪的溫度場分布情況.對某類型飛輪的焊接溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，結(jié)果表明：數(shù)值模擬與測試結(jié)果相吻合，有限元分析模型反映了飛輪在密封焊接過程中的溫度場分布情況.

飛輪；焊接溫度場；有限元分析

飛輪是目前高精度、長壽命三軸姿態(tài)控制穩(wěn)定衛(wèi)星必須采用的一種執(zhí)行部件，它利用衛(wèi)星角動(dòng)量守恒原理，通過對飛輪加速、減速或角動(dòng)量矢量方向的改變來實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星姿態(tài)的控制.為保證飛輪在規(guī)定的真空條件下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，需對其殼體組件進(jìn)行密封處理.密封處理通常采用焊接工藝，在此過程中，既要對飛輪的殼體組件實(shí)施可靠密封，又要保證焊接引起的溫度升高不會(huì)對已裝入產(chǎn)品內(nèi)的零部件性能造成損傷.因此，確定焊接過程中飛輪的溫度場分布是保證飛輪密封焊接質(zhì)量的關(guān)鍵之一.

本文對某類型飛輪焊接過程中的溫度場分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為確定合理的飛輪密封工藝奠定基礎(chǔ).

1 焊接溫度場的數(shù)值模擬

1.1 焊接方案

飛輪密封焊接采用恒溫?zé)嵩?，密封焊接設(shè)備由焊頭、溫控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和支撐裝置（左、右卡盤等）4部分組成.焊接過程中，溫控系統(tǒng)保證焊頭溫度恒定，飛輪通過左、右卡盤夾緊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)焊接.

1.2 有限元分析模型

飛輪焊接溫度場數(shù)值模擬利用有限元分析軟件完成.考慮到焊接過程中焊接工裝和飛輪密封焊接設(shè)備的左、右卡盤對飛輪接觸傳熱的影響，計(jì)算模型包含待密封飛輪、焊帶、焊接工裝和左、右卡盤4部分.

焊接過程中，溫度分布隨時(shí)間和空間急劇變化，溫度梯度很大，因此在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，焊接部位及其附近的部位用加密的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊接部位的區(qū)域溫度分布梯度變化較小，采用相對稀疏的網(wǎng)格［1-4］.劃分網(wǎng)格后的有限元分析模型如圖1所示.

1.3 載荷和邊界條件

飛輪在焊接過程中通過傳導(dǎo)、對流和輻射將熱量傳遞給周圍介質(zhì).由于焊接過程中，高溫區(qū)域的面積相對較小，飛輪整體溫度較低，所以在計(jì)算中忽略影響較小的輻射換熱，僅考慮傳導(dǎo)和對流換熱［5-6］.定義飛輪初始溫度場為22℃的均勻溫度場，環(huán)境溫度也為22℃.

在焊接過程中，飛輪勻速旋轉(zhuǎn)，焊頭自動(dòng)跟蹤飛輪焊接表面，飛輪受熱位置不斷變化.為了真實(shí)的模擬飛輪在焊接過程中的受載情況（主要是熱載荷），需要合理建立焊接熱源模型.根據(jù)飛輪密封處理的焊接方式，可以將焊接熱量以內(nèi)部熱源的形式加載，并假定熱量均勻施加在焊帶上.

飛輪計(jì)算模型復(fù)雜，而且焊接時(shí)間較長.焊接過程的有限元模擬如果采用移動(dòng)熱源，為了精確地描述在不同時(shí)刻熱源的移動(dòng)情況，需要?jiǎng)澐趾芗?xì)的時(shí)間步，這種計(jì)算量大的難以承受.為此，本文采用分段移動(dòng)熱源模型來模擬飛輪焊接的實(shí)際過程.分段移動(dòng)熱源模型是將一段焊接長度內(nèi)的移動(dòng)熱源等效為作用一定時(shí)間的帶狀熱源來處理［7-8］.具體實(shí)施方案為：沿焊接方向?qū)⒑笌Ь殖蒼段，在每段焊帶上順次施加等效帶狀熱源，每段加載后進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)進(jìn)行到下一段加載計(jì)算時(shí)，刪除上一段的帶狀熱源定義，并以上一次加載計(jì)算的溫度場作為下一段加載的初始溫度場.

圖1 有限元分析模型

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)1.3節(jié)所述的施加熱載荷和邊界條件，計(jì)算整個(gè)焊接過程中飛輪的溫度場變化情況.圖2～4是不同時(shí)間段的溫度場分布圖，其中圖2～3為焊接過程的溫度場分布，圖4為冷卻過程的溫度場分布.從圖中可以看出：隨著熱源的移動(dòng)，飛輪上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而變化，整體溫度場跟隨熱源移動(dòng)，最高溫度出現(xiàn)在熱源作用的焊接區(qū)域；焊接工裝和左、右卡盤進(jìn)行的表面處理導(dǎo)致其與飛輪接觸面的導(dǎo)熱系數(shù)成倍降低，焊接結(jié)束時(shí)兩者溫度都有所升高，但溫升不大；焊接結(jié)束后，飛輪進(jìn)入冷卻階段，飛輪溫度下降很快，等溫線的范圍不斷擴(kuò)大，最終各點(diǎn)溫度逐漸趨于室溫.

2 焊接溫度場的試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述計(jì)算模型的合理性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對飛輪密封焊接過程中的溫度場進(jìn)行實(shí)際測試.由于條件的限制，焊接溫度場試驗(yàn)測試中使用的飛輪為工藝飛輪，與真實(shí)飛輪相比缺少支撐軸、電機(jī)組件和輪體組件.

2.1 測試方法

焊接溫度場測試試驗(yàn)利用熱敏電阻測量工藝飛輪不同部位的溫度，利用34970A多通道數(shù)字萬用表采集熱敏電阻的阻值，工控機(jī)完成對測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄.

溫度場測試試驗(yàn)嚴(yán)格按照焊接方案進(jìn)行，測試了焊接過程中10個(gè)部位熱敏電阻的阻值變化情況.

圖2 焊接過程中的溫度場分布

圖3 焊接結(jié)束時(shí)的溫度場分布（包含左、右卡盤）

圖4 焊接結(jié)束160 s后的溫度場分布（包含左、右卡盤）

2.2 測試與計(jì)算結(jié)果對比分析

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到飛輪密封焊接過程中10個(gè)不同位置隨時(shí)間變化的溫度曲線，并與理論溫度曲線進(jìn)行對比分析.

1＃、2＃、3＃熱敏電阻粘貼在飛輪的密封蓋上，如圖5所示。圖6和圖7分別為這3個(gè)位置的測試溫度曲線和理論計(jì)算溫度曲線.從圖中可以看出，測試和理論計(jì)算的溫度曲線趨勢一致，理論計(jì)算的數(shù)值低一些.這主要是因?yàn)楣に囷w輪與真實(shí)飛輪相比缺少了支撐軸，使得密封蓋上的熱量無法由支撐軸向軸承組件傳遞，從而導(dǎo)致這3個(gè)位置的測試結(jié)果偏高，理論計(jì)算的結(jié)果更接近真實(shí)情況.由于支撐軸的導(dǎo)熱影響相對較小，所以兩者溫度相差不大.

圖5 1＃、2＃、3＃熱敏電阻的粘貼位置示意圖

圖6 1＃、2＃、3＃熱敏電阻的試驗(yàn)測試溫度曲線

圖7 1＃、2＃、3＃熱敏電阻的理論計(jì)算溫度曲線

4＃、5＃、6＃、7＃、8＃熱敏電阻粘貼在靠近飛輪焊接部位的圓周上，如圖8所示。圖9～12分別為這5個(gè)位置的測試溫度曲線和理論計(jì)算溫度曲線.從圖中可以看出，兩者的溫度曲線趨勢一致，溫度值也基本相同，表明理論分析的熱源模型是合理的，能夠較好地模擬飛輪的真實(shí)焊接情況.

圖8 4＃、5＃、6＃、7＃、8＃熱敏電阻的粘貼位置示意圖

圖9 5＃、6＃熱敏電阻的試驗(yàn)測試溫度曲線

圖10 5＃、6＃熱敏電阻的理論計(jì)算溫度曲線

圖11 4＃、7＃、8＃熱敏電阻的試驗(yàn)測試溫度曲線

9＃、10＃熱敏電阻粘貼在飛輪的基座上，如圖13所示。圖14～15分別為這兩個(gè)位置的測試溫度曲線和理論計(jì)算溫度曲線.從圖中可以看出：10＃位置兩者的溫度曲線趨勢一致，溫度值也基本相同；9＃位置兩者的溫度曲線趨勢一致，理論值比試驗(yàn)測試值偏低一些，其原因是工藝飛輪缺少電機(jī)組件和輪體組件，使得基座的熱量無法向兩者傳遞，導(dǎo)致測試溫度比真實(shí)情況偏高.

圖12 4＃、7＃、8＃熱敏電阻的理論計(jì)算溫度曲線

圖13 9＃、10＃熱敏電阻的粘貼位置示意圖

圖14 9＃、10＃熱敏電阻的試驗(yàn)測試溫度曲線

圖15 9＃、10＃熱敏電阻的理論計(jì)算溫度曲線

3 結(jié) 論

本文對某類型飛輪密封焊接過程中的溫度場分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：理論計(jì)算的數(shù)值與測試結(jié)果基本相符，兩者隨時(shí)間變化的溫度曲線趨勢一致.這表明理論計(jì)算的模型是合理、可信的，能較好地模擬飛輪焊接過程.

［1］張文鉞.焊接傳熱學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989

［2］田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982

［3］陳楚，張?jiān)露?焊接熱模擬技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985

［4］武傳松.焊接熱過程數(shù)值分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990

［5］拉達(dá)伊 D.焊接熱效應(yīng)溫度場、殘余應(yīng)力、變形［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997

［6］陳楚.數(shù)值分析在焊接中的應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1985

［7］蔡志鵬，趙海燕，鹿安理，等.焊接數(shù)值模擬中分段移動(dòng)熱源模型的建立及應(yīng)用［J］.中國機(jī)械工程，2002，13（3）：34-36

［8］蔡志鵬，趙海燕.串熱源模型及其在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（4）：25-28

Numerical Simulation of Flywheel Soldering Temperature Field

ZHANG Ke，WU Dengyun，YU Guoqing
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

Soldering seal is one of the most important processes in the flywheel assembly procedure.Appropriate distribution of temperature field is needed to ensure the quality of the soldering.In this paper，a temperature field of a flywheel is simulated and analyzed.And then，calculated results are compared with experimental data.The results show that calculated results are coincident with experimental data，and the finite element analysis model indicates the temperature field distribution in the soldering process correctly.

flywheel； soldering temperature field；finite element analysis

TG402

A

1674-1579（2009）04-0057-04

2008-11-03

張 可（1982—），女，河南人，工程師，研究方向?yàn)楹教炱骺刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù) （e-mail：zhangke＠sjp.buaa.edu.cn）.