基于ANSYS的焊接電纜空間電磁場分布的仿真計算

藺敏

摘? 要：為了直觀地得知焊接過程中焊接電纜所產生的電磁場在空間中的分布情況，對工作中的直流弧焊機焊接電纜的工作原理進行分析，在ANSYS軟件中模擬焊接工作環境，取工作時的輸出電流（50A，200A），利用有限元法計算距焊接電纜不同位置的空間點的磁感應強度。在焊接過程中，輸出電流的變化，對焊接電纜所產生的磁場分布產生影響，磁感應強度與電流大小成正相關;距焊接電纜的距離決定著同一輸出電流時，該位置磁場強度的大小，空間場磁感應強度與距離呈負相關。利用ANSYS有限元分析方法，得到了焊接時焊接電纜所產生的空間電磁場分布特點;解決了僅依靠測量手段觀測空間場的有限個點的磁感應強度，但無法得知空間場的三維分布問題。

關鍵詞：ANSYS仿真;有限元法;焊接環境;空間磁場分布;磁感應強度

中圖分類號：TP391.9? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0022-03

Abstract： In order to intuitively know the spatial distribution of the electromagnetic field generated by the welding cable during the welding process. Analyze the working principle of the welding cable of the DC arc welding machine at work， simulate the welding working environment in ANSYS software， take the output current （50A， 200A） during work， and use the finite element method to calculate the space points from different positions of the welding cable Magnetic induction. During the welding process， the change in output current has an effect on the magnetic field distribution generated by the welding cable. The magnetic induction strength is positively related to the magnitude of the current; the distance from the welding cable determines the magnitude of the magnetic field strength and the space field at the same output current. There is a negative correlation between magnetic induction and distance. The ANSYS finite element analysis method was used to obtain the magnetic field distribution characteristics of the space electromagnetic field generated by the welding cable during welding. It solved the problem of observing the three-dimensional distribution of the space field only by measuring the magnetic induction intensity of the finite points of the space field by means of measurement.

Keywords： ANSYS simulation; finite element method; welding environment; distribution of space magnetic field; magnetic flux density

引言

在有限元技術日趨完善的今天，隨著計算機技術的普及和計算機速度的不斷提高，有限元在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜的工程分析問題的有效途徑。ANSYS作為大型通用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）軟件，以Maxwell方程組作為電磁場分析的出發點，是電磁計算的可靠工具[1-2]。

據統計，世界鋼產量的一半以上是用焊接工藝把它制成鋼制品的[3]。我國作為制造業大國，焊接技術在各行業均有大量需求?；『冈O備在工作時會產生較為復雜的電磁場，研究焊接時電磁場的分布問題，一直是焊接行業中的熱點話題[4]。美國科研人員對弧焊機焊接過程中三維電磁力場進行計算，力求精確計算整個焊接中三維電流密度和磁通量密度[5];歐洲對懸掛式手操電阻焊槍焊接操作操作的電磁環境進行計算[6];北京工業大學宋永倫教授團隊對于焊接時空間場的電磁環境做了測量分析[7]。

一直以來，對焊接過程中空間電磁場的分布情況，多借助測量手段進行研究，這只能得到有限個點的磁場分布，但是不能構建系統的三維分布模型。本文運用電磁計量學的方法，在ANSYS軟件中建立焊接模型，精確直觀地體現了焊接電纜產生的電磁場的空間分布特性。

1 實驗方案

1.1 麥克斯韋方程組

ANSYS軟件以麥克斯韋方程組作為電磁場分析的出發點。根據麥克斯韋方程組：

式中，？滋為磁導率，？著為介電常數，？滓為電導率。求解低頻磁場時，用ANSYS仿真軟件計算出磁場強度，根據式（5）即可求得焊接電纜所產生的磁感應強度。

1.2 ANSYS實現過程

對焊接過程焊接電纜所產生的電磁場空間分布情況的仿真，首先對電磁環境模型進行簡化。將其假設為一個半徑為2m，高為5m的圓柱體空氣腔;取架空的一條焊接電纜，視為長直導線，導線長設置為5m，半徑為0.005m。實驗模型包括工件（焊接電纜）以及周圍的介質（如空氣）。我們對空氣介質逐層建立，依次為距焊接電纜5cm、10cm、20cm、50cm的實驗空氣層。

利用ANSYS有限元軟件的低頻電磁場分析功能，對實驗環境模型進行有限元網格劃分，剖分后網格單元數量在270多萬個，施加電流載荷并設置邊界條件，選擇低頻靜態磁場分析功能對焊接電流諧波產生的磁場分量進行分析計算，由于網格數量較多，計算量較大，在進行求解時，計算機存儲容量需在16GB以上，計算時間需0.5h以上，最后得到電纜周圍的磁感應強度值。

2 仿真結果分析

焊接時，焊條根據其焊芯的大小，通常分為2mm、2.5mm、3.2mm、4mm、5mm、6mm這幾種，其對應的電流分別為50～80A、100～130A、160～200A區間內，故我們選用50A和200A這兩個電流區間的始末點進行研究。

實驗結果表明，當輸出電流為50A，焊接電纜產生的電磁場的磁感應強度最大值在5.3？滋T，隨著據焊接電纜距離的變化，當離焊接電纜的距離越來越遠時，磁感應強度在逐漸減小，當據焊接電纜距離為50cm時，磁感應強度僅為0.0064？滋T。如圖1所示，左上為輸出電流為50A時，距離焊接電纜為0-5cm的空間內的磁場分布圖，右上為輸出電流為50A時，距離焊接電纜為5-10cm的空間內的磁場分布圖，左下為輸出電流為50A時，距離焊接電纜為10-20cm的空間內的磁場分布圖，右下為輸出電流為50A時，距離焊接電纜為0-5cm的空間內的磁場分布圖，我們可以根據此圖直觀的看到隨距離變化空間磁場的變化情況。

根據仿真結果顯示，當電流載荷加為200A時，得出磁感應強度為21.3？滋T，隨著據焊接電纜距離的變化，當離焊接電纜的距離越來越遠時，磁感應強度在逐漸減小，當據焊接電纜距離為50cm時，磁感應強度僅為0.0259？滋T。模擬結果分布圖見圖2所示（位置變化規律同上）。

3 結論

（1）從實驗結果看，焊接時，直流弧焊機輸出電流達到50A時，在距焊接電纜0cm處，空間場的磁感應強度在5.3？滋T，隨著距離焊接電纜的位置的變化，在距焊接電纜5cm處，磁感應強度驟降為0.64？滋T，在距焊接電纜10cm處，磁感應強度減小為0.41？滋T，在距焊接電纜20cm處，磁感應強度為0.19？滋T，到更遠的50cm處，磁感應強度變為0.0064？滋T，幾乎可以忽略不記。直流弧焊機輸出電流達到200A時，在距焊接電纜0cm處，空間場的磁感應強度在21.3？滋T，隨著距離焊接電纜的位置的變化，在距焊接電纜10cm處，磁感應強度僅為0.76？滋T，更遠則磁場感應強度更小。我們可以根據以上規律，做出焊接電纜電磁場空間分布特性曲線。點線圖如圖3所示。

（2）前人對于焊接操作的空間磁場分布情況的研究是基于實地測量的方法，測量時只能選取有限點進行測量計算，并不能實際反應磁場的分布情況。本文運用ANSYS軟件，設計焊接環境模型，采用有限元分析方法，系統詳盡地繪制了空間磁場三維分布云圖，更直觀地體現了空間磁場的分布情況。

參考文獻：

[1]藍宇，張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J].應用科技，2000（06）：11-12+15.

[2]Tadeusz Stolarski，Y. Nakasone，S. Yoshimoto. Engineering Analysis with ANSYS Software， Second Edition [M]. Cambridge， United Kingdom.

[3]劉成龍.逆變式焊機的應用與發展[J].科技信息（科學教研），2007（30）：43.

[4]Jorgen H，Henrik Exposure of welders and other metal workers to ELF magnetic fields[J].Bioeletron gnetics，1997，18（7）：470-477.

[5]Kamil. J. Ali. "MEASUREMENT OF MAGNETIC FIELDS EMITTED FROM WELDING MACHINES， in Diyala Journal of Engineering Sciences， v Vol. 05， No. 02， pp. 114-128.

[6]P. Zradziński. A comparison of ICNIRP and IEEE guidelines to evaluate low frequency magnetic field localised exposure，" 2016 17th International Conference Computational Problems of Electrical Engineering （CPEE）， Sandomierz， 2016， pp. 1-4.

[7]張軍，王世瑩，宋永倫.逆變弧焊電源低頻磁場輻射的分析[J].焊接學報，2010，31（04）：13-16+113.