液壓支架立柱堆焊過程數值模擬

曾巍

摘 要：為預測液壓支架立柱的堆焊過程溫度場的分布情況，現以ANSYS軟件為平臺，運用APDL編程及單元生死技術，在20 ℃ 環境下對簡化的立柱模型進行了焊接瞬態熱分析，模擬了符合堆焊工藝的熱源移動過程，得到了立柱的焊接溫度場分布規律。結果表明，熱源周圍溫度呈環狀分布，適當的預熱可以提高熱源中心溫度。

關鍵詞：數值模擬；溫度場；堆焊；有限元分析

0 前言

在服役過程中，液壓支架上的立柱活塞桿表面容易被飛濺的煤矸石擊中，導致其表面發生破損，同時，由于采煤環境中具有較多含有Cl-和SO42-的腐蝕性介質及硬顆粒，導致立柱內表面和立柱活塞桿表面產生腐蝕和磨損，嚴重時甚至會使采煤無法進行而導致重大損失[1]。為提高活立柱表面的強度、硬度和耐腐蝕性能，一般要對立柱表面進行表面改性處理，以提高其表面的強度、硬度和耐腐蝕性能，進而提高立柱的服役壽命，降低煤炭采掘成本，提高經濟效益[2-4]。

堆焊作為一種可行性方法得到了應用，本文利用ANSYS有限元分析軟件對立柱表面堆焊金屬層的焊接溫度場進行數值模擬分析研究，得到了不同時刻焊接溫度場分布情況。

1 實例分析

立柱二維圖如圖1所示，在20 ℃環境下對液壓支架立柱的堆焊過程進行數值模擬。

1.1 模型建立及網格劃分

液壓支架立柱尺寸如下：直徑99 mm、長700 mm、球頭半徑52.5 mm、孔徑16 mm；在立柱表面堆焊一層厚5 mm的焊層。考慮到堆焊過程的連續性與穩定性，建立的模型可簡化為長6 mm，半徑49.5 mm呈900的扇形。由于不存在復雜曲面，且映射網格對載荷的施加和收斂的控制是非常有利的，當映射網格劃分不能實施時，才考慮選用自由網格進行補充[5]。所以在劃分網格時可以優先考慮映射六面體單元，為了獲得一個良好的瞬態焊接溫度場，焊縫處的單元網格最好控制在2 mm以下[6]。根據以上條件控制網格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 熱物理參數設定

做溫度場分析需要的參數：密度DENS、比熱容C、導熱系數KXX。以上參數隨溫度變化，焊接過程中立柱的溫度從室溫20 ℃上升至1500 ℃之上，然后冷卻至室溫，溫度變幅劇烈，所以參數改變也很大。查閱相關手冊得到幾個關鍵點數值，由外推法及插值得到參數—溫度曲線。為保證堆焊效果，焊區材料應與立柱材料性質相近，故焊區與立柱參數取值一致[7]。

2 模擬結果與分析

堆焊的數值模擬是一個瞬態分析的過程，在進行瞬態分析之前須在極短的時間內（t=0.01 s）給整個模型施加初始溫度，進行穩態分析，從而得到一個均勻分布的溫度場。之后利用APDL編程以循環的命令實現熱源移動的過程。20 ℃ 環境下的溫度分布情況如圖3所示；距離熱源中心R=0、3、6、9 mm處得到的溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖3為20 ℃ 環境下，不同時刻熱源周圍溫度分布圖。由圖可見熱源周圍溫度呈環狀分布，隨著熱源快速移動環狀區域亦隨之變化，溫度帶分布均勻，符合堆焊實際情況。

圖4為溫度—時間曲線，由圖5可見四處測量點的溫度在極短時間內上升，距離熱源越遠溫度越低，冷卻時先急后緩，最后趨近于冷卻環境溫度。

3 結論

⑴ 基于ANSYS的單元生死技術很好的模擬了液壓支架立柱堆焊過程，得到的溫度場分布與實際情況相符，很好的反映了堆焊過程的溫度變化。

⑵ 通過數值模擬對堆焊的質量和性能進行預測，節約了試驗成本，縮短了研發時間，對于堆焊工藝的優化具有一定指導作用。

參考文獻：

[1] Q Shao， SLi， LZ Liu， et al. The influence on the corrosion of hydraulic support system ofchloride ions in the transmission medium and preventive measures[J]. Procedia Engineering， 2011，26：1214 -1219.

[2] 王志華.液壓支架立柱的腐蝕機理及其防護[J].礦山機械，2011，23（2）：39-43.

[3] 王海波，王永強，張敏.堆焊在液壓支架立柱中缸中的應用[J].航天制造技術，2009，4：24-27.

[4] 呂紀武，劉寧，黃一聲.活塞桿堆焊后的回火溫度的研究[J].金屬加工，2009，10：29-31.