基于Fluent的薄鋼板對焊過程的數值模擬研究

摘要：金屬平板的焊接過程是一個非常復雜的非穩態傳熱過程。對該物理過程進行簡化的基礎上，建立了數學模型。利用Fluent軟件進行了數字模擬，數據結果顯示了金屬平板內溫度場的分布，彌補了實驗手段的不足。

關鍵詞：鋼板焊接；溫度場；Fluent軟件；數值模擬

中圖分類號：TG174.44文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）16-0091-02

焊接過程的熱傳導是一個非常復雜的非穩態過程。傅里葉定律與能量守恒定律導出的導熱微分方程和定解條件構成了焊接導熱問題的完整的數學描寫。但由于實際問題各種各樣，邊界條件十分復雜，利用解析的方法很難求解這類微分方程。隨著計算機內存和并行技術的發展，通過計算機獲得導熱問題的數值解的方法迅速發展。對物理問題進行數值求解的基本思路是把原來在時間，空間坐標系中連續的物理量的場，用有限個離散點上的值的集合來代替，通過求解一定方法建立起來的關于這些值代數方程，來獲得離散點數上被求物理量的值。計算流體力學（Computational fluid Dynamics，CFD）就是其中一種有效的研究傳熱問題的數值模擬方法。

1Fluent軟件介紹

Fluent 軟件是目前市場上最流行的CFD 軟件。利用Fluent軟件可以計算平板焊接過程的溫度場和揭示傳熱規律。只要涉及流體，熱傳遞及化學反應問題等工程問題，都可以用Fluent軟件求解。Fluent 程序包括以下幾個部分：Gambit用于建立幾何結構和網格的生成；Fluent用于傳熱流動等模擬計算的求解器；prePDF用于模擬PDF 燃燒過程；TGrid用于從現有的邊界網格生成體網格。

Fluent 求解的思路和步驟是首先根據實際情況抽象和建立物理模型，然后選擇求解模型，設置邊界條件和初始化條件，設置迭代和控制參數，進行計算，經后處理和分析得出結論，或者根據實驗結果重新調整參數進行再計算直至達到可接受的結果。

2兩塊薄鋼板焊接過程熱傳導的數學模型

為對兩塊平板的對接焊過程（圖1）進行數值計算，對其物理過程做以下簡化處理：

鋼板中的溫度僅是x及時間τ的函數。

焊槍的熱源作用在鋼板上時鋼板吸收的熱流密度q（x）=qmexp（-3x2/re2）。rm為電弧有效加熱半徑；qm為最大熱流密度。

鋼板上下表面的散熱可用q=h（t-tf）計算，側壁絕熱。

焊接熱源為非熔化極熱源，并假設由焊絲填充的焊道部分在焊接前就已存在了。由于此部分僅占整個焊件極小部分，故對整個導熱過程影響不大。

鋼板的物性為常數，周圍環境溫度不變，鋼板的對流換熱系數不變。

因此可以把圖1所示的問題簡化成圖2所示的一維非穩態導熱問題。

3FLUENT 的分析及數值模擬結果

①幾何模型及網格劃分。文章對長度H為12 cm，厚度δ為1 cm的兩塊相同的鋼板對接焊過程進行模擬。由對稱可知只需對一塊鋼板進行模擬。利用Fluent 自帶的前處理軟件Gambit來進行建模和網格劃分。為了更好分辨熱源附近的溫度場采用了非均分網格，鋼板的計算網格如圖3 所示。

②計算參數的設置。將在Gambit中畫好的鋼板網格導入Fluent軟件中，選擇二維單精度壓力基、隱式非穩態求解器，激活Energy Equation 選項。輸入材料的物性參數為：密度7 800 kg/m3 ，導熱系數為41.9 m2/s，比熱容為670 J/（kg·K），對流換熱系數為12.6 W/(m2·K).電弧有效加熱半徑為0.71 cm，最大熱流密度為1.68×108 W/m2。由于內熱源是溫度和距離的函數，故使用用戶自定義函數（User-Defined Function）在文本編輯器中用C語言編輯內熱源，熱流密度作用時間為1s。鋼板四周邊界條為絕熱。設置殘差為1×10-6，鋼板和環境初始溫度為298 K。時間步長的選擇不能太大，也不宜太小，文章時間步長為0.01 s。

③模擬結果及分析。圖4為5 s時鋼板內的溫度分布圖。從圖中可以看出在高溫熱源的作用下，開始時時鋼板的電弧加熱斑點處溫度可高達2 700 K左右，隨著離電弧加熱斑點距離的增加，溫度急劇下降，在電弧有效加熱半徑之外的鋼板的溫度基本不變。由于向長度方向導熱，并在對流換熱作用下，5 s時電弧加熱斑點處鋼板溫度已降到1 350 K左右，鋼板升溫的區域。

4結語

鋼板的焊接過程是一個非常復雜的非穩態過程，必須抓住主要影響因素，忽略次要因素，對薄鋼板焊接的物理過程進行了簡化，建立了一維非穩態數學模型，利用Fluent軟件進行了數值模型，得到的結果與文獻的結果基本相吻合，因此模擬結果是正確的，利用Fluent軟件分析鋼板焊接過程溫度分布的是一種有效手段。

利用Fluent軟件進行數值模擬具有獨特的優勢，如：相對于實驗研究，研究成本低，周期短，可以任意定義不同物性材料；Fluent軟件的界面友好，操作簡單，計算快速，具有強大的前后處理功能。模擬數據經過可視化處理能直觀地顯示出來。

參考文獻：

[1] 陳楚.數值分析在焊接中的應用[M].上海:上海交通大學出 版社，1985.

[2] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社，2006.

[3] 郭茶秀，熊輝東，魏新利，等.蓄冷球凝固的FLUENT數值模 擬研究[J].節能技術，2005，23(6).

[4] 袁艷平，程寶，茅靳豐.淺埋工程圍護結構傳熱影響因素的 有限元分析[J].潔凈與空調技術，2004，7(2).

[5] 王仕博，王華，馮明杰.利用Fluent 軟件建立蓄熱體數學模 型的研究[J].工業加工，2006，(36).