复杂TIG电弧多物理场全耦合数值分析

【摘要】双钨极氩弧焊作为一种新型的高效焊接方法,克服了单钨极氩弧焊本身所存在的热输入量小、熔敷效率低、焊接速度慢等诸多缺点,能够在大电流下保持小的电弧压力,避免了在增加熔敷率的同时,过大的电弧压力所导致的熔穿及咬边等焊接缺陷的产生。因此,双钨极氩弧焊在对焊接质量以及焊接效率有严格要求的场合具有广泛的应用前景。在焊接过程中,采用两种或两种以上的混合气体进行保护,克服了单一气体在作用过程中的局限性,充分发挥混合气体中各个组分的优势,保证了焊接质量,提高了焊接效率,也使焊缝成形得到了改善。本课题针对双钨极氩弧焊过程中的热物理现象,以及双层气体保护下TIG电弧的各种行为进行了以下几个方面的研究工作。首先,根据连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程,建立了双TIG电弧全耦合求解条件下的三维稳态模型,研究了其电弧所涉及的温度场、流场以及电磁场之间的耦合机理。在该模型的建立中,基于双TIG实际焊接中所涉及的物理过程及电弧内部多场耦合的原理分别对其所涉及的温度场、流场及电磁场选定相对应的控制方程,并根据实际情况为各个控制方程确定合适的边界条件,建立双TIG电弧的全耦合有限元模型,并根据大型有限元分析软件COMSOLMultiphysics对其进行求解,同时获得了不同钨极间距、不同弧长条件下双TIG全耦合电弧内部温度场、流场、电磁场、电弧压力、电流密度以及电磁力等分布特征,并对这些结果进行了对比分析。结果表明：a)对于单TIG电弧而言,在全耦合条件下,所得电弧温度、电流密度、等离子体速度的最大值都出现在阴极附近,并在靠近阳极附近的过程中逐渐降低,且温度场呈典型的钟罩形,最高温度接近20000K,与已有实验研究结果吻合良好。d)在不对称电流条件下,电弧的温度场、电流密度、磁场线、电磁力贡献、电弧压力以及等离子体的速度场的分布不再呈现对称分布,且偏向电流较大的一方,随着电流差值越大,这种趋势也会越大。e)与单TIG电弧相比,耦合电弧的最高温度、等离子流速、电流密度以及电弧压力等都明显减小,且阳极表面电弧压力和电流密度的分布不能再用高斯分布描述,电磁力在阴极附近的分布也有所差异。c)随着钨极间距的增大,两束电弧的耦合程度越来越弱,当钨极间距增大到一定数值时,两束电弧将解除耦合,成为两束单独的电弧。此外,随着钨极间距的增大,电弧的最高温度、电流密度、等离子流速以及电弧压力等均会先降低再增加,电弧压力还会出现双峰分布。d)在不同弧长条件下,电弧的最高温度、电流密度、等离子流速以及电磁力等虽有略微的增加,但对它们的影响不是很大。电弧的拉长或缩短使得电弧的形态分布更为集中或者扩展,因而也影响了电弧压力的分布,使其随着电弧长度的减小而有所增加。其次,对于混合气体的处理,采用了分层处理,即两种不同种类的气体不同于传统均匀混合的处理方法,而是分成了两层,里面一层充氩气,外面一层充氦气,以便研究气体间的相互作用。在建立该模型的过程中,除了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及麦克斯韦方程,还用到了扩散传质方程。在对双层气体保护下的TIG电弧行为进行求解计算时,得到的结果是：a)外层氦气的加入明显的影响了电弧的形态,使其不再呈现典型的钟罩形分布,且电弧的最高温度有所降低,但整体上的分布规律基本上没什么变化。b)电弧电流密度、等离子流速、电磁力的分布规律虽有所变化,但不是很大,除了与该模型的精度有关外,还与分层区域的大小有关。c)由于电弧等离子体的流速降低,使得双层气体保护下TIG电弧对阳极表面的电弧压力有所降低。
【作者】杜文玉；
【导师】石玗；黄健康；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】双钨极氩弧焊；多物理场；全耦合；双层气体；数值分析；

【参考文献】
[1]王爱彬.粗糙表面接触界面微凸体压平效应研究[D].合肥工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[2]王清华.植被变化的生态水文效应分析[D].西安理工大学,环境工程,2004,硕士.
[3]万军.一维周期性介质波导慢光的研究[D].南昌航空大学,光学工程（专业学位）,2013,硕士.
[4]张海源.制氢装置生产优化研究[D].华东理工大学,化学工程,2013,硕士.
[5]杨立本1,章卫国2,黄得刚3.基于ESO的欠驱动四旋翼飞行器轨迹鲁棒控制[J].系统工程与电子技术.
[6]卢俊杰.图的交叉数的若干结果[D].华东师范大学,运筹学与控制论,2004,硕士.
[7]张亮方.南水北调东线一期工程山东段通信传输系统设计研究[D].山东大学,电子与通信工程（专业学位）,2012,硕士.
[8]杜军,张石娃,罗力群.数字黄河的基本框架和关键技术[J].气象水文海洋仪器,2004,01:14-17.
[9]李金贝.公路填方路基抗震性能研究[D].北京交通大学,2013.
[10]杨昌辉.虚拟企业的构建与管理研究[D].合肥工业大学,2003.
[11]李海滨.基于Web的数据挖掘[J].桂林工学院学报,2003,02:222-225.
[12]韩亚琴.西藏自治区可再生能源开发研究[D].中国地质大学（北京）,管理科学与工程,2014,硕士.
[13]奥丽娅.俄罗斯经济特区发展研究[D].哈尔滨工业大学,世界经济学,2013,硕士.
[14]邱峰.重组人p53腺病毒注射液质量稳定性的研究[D].华南理工大学,生物工程（专业学位）,2012,硕士.
[15]张竞新.一类确定性多变量非线性系统的自适应控制[J].自动化学报,1993,02:154-161.
[16]姚敏,沈斌,李明芳.基于多准则神经网络与分类回归树的电信行业异动客户识别系统[J].系统工程理论与实践,2004,05:78-83.
[17]梁金山.基于C-PSODE算法的模糊RBF神经网络非线性系统辨识[D].西南交通大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[18]李小妞.成都市政府在文化创意产业集聚区发展中的职能研究[D].西南交通大学,行政管理,2014,硕士.
[19]周君.审计报告及时性影响因素的实证研究[D].山东财经大学,会计学,2014,硕士.
[20]叶强,卢涛,闫相斌,李一军.客户关系管理中的动态客户细分方法研究[J].管理科学学报,2006,02:44-52.
[21]史小航.飞行汽车综合式车架设计及综合式车架与空间管阵式车架的对比分析[D].中北大学,车辆工程,2013,硕士.
[22]熊申展.中国榕属雌雄同株类群比较形态解剖学研究[D].华东师范大学,植物学,2013,硕士.
[23]邓溪.铁水联运集装箱运价规制与定价研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2012,硕士.
[24]刘彩虹.当代中国社会价值观念变迁与人的全面发展[D].内蒙古大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[25]郑红波,罗志军.GIS技术发展趋势探讨[J].南方国土资源,2003,08:67-70.
[26]康南南.基于主题模型和图核模型的图像分类算法的研究与应用[D].西南大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[27]李芝乐.PMLSM伺服系统的特征模型及其迭代学习控制方法[D].浙江工业大学,2012.
[28]丁晓剑,赵银亮.无偏置ν-支持向量回归优化问题研究[J].控制与决策,2012,06:866-870.
[29]祝恒云.基于虚拟制造的自动线虚拟实验系统研究[D].南京航空航天大学,机械设计与理论,2004,硕士.
[30]冀单单.基于互联网的数字音乐盗版检测技术应用研究[D].北方工业大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[31]张慧芝.FGFR3、p53和MCM2在膀胱尿路上皮癌中的表达以及与预后的相关研究[D].复旦大学,肿瘤学,2012,硕士.
[32]孟繁.我国货币供给与大小盘股相互影响的比较研究[D].浙江工商大学,金融（专业学位）,2014,硕士.
[33]韩晓琳.政府采购供应商救济制度研究[D].北方工业大学,法律,2014,硕士.
[34]陆菲菲.实时合成水滑石分离及尖晶石固化模拟核素的研究[D].合肥工业大学,化学工程,2013,硕士.
[35]图雅.法式善《梧门诗话》的诗学思想[D].内蒙古师范大学,古代文学,2012,硕士.
[36]凌丽华.徇私枉法罪若干问题研究[D].西南政法大学,刑法学（专业学位）,2012,硕士.
[37]SaddamSassi.从莎士比亚的《科利奥兰纳斯》和拉辛的《布里塔尼古斯》看女性对权力的渴望[D].北京外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[38]李立红.承钢自动化管控中心五级点检信息化系统上线运行[J].冶金自动化,2012,03:48.
[39]王勇献.蛋白质二级结构预测的模型与方法研究[D].国防科学技术大学,2004.
[40]刘宝稳.消弧线圈跟踪调谐及其优化控制方案的研究[D].中国矿业大学,电力电子与电力传动,2014,硕士.
[41]陈振新.精益生产在Y汽车零部件企业的应用研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[42]张志强,胡民华.蓄热式连续加热炉燃烧控制技术的应用[J].冶金自动化,2009,05:38-41.
[43]李硕.基于极限电流型氧传感器仪表的研究[D].宁波大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[44]沈厚铸.瑞典管理教育的特点及其发展趋势[J].经济管理与干部教育.1991(03)
[45]舒华.遮荫对茶树新梢叶绿素积累的影响及其机理研究[D].浙江大学,茶学,2012,硕士.
[46]徐亚运.健身气功五禽戏竞赛功法鹿奔动作的运动生物力学分析[D].北京体育大学,民族传统体育,2013,硕士.
[47]韩高洁.三联抗血小板对不稳定心绞痛患者PCI术后短期预后影响[D].河北医科大学,内科学,2014,硕士.
[48]张孟昀.非对称射流对连铸二冷传热影响的实验研究[D].内蒙古科技大学,钢铁冶金,2013,硕士.
[49]杨文艳.辽宁省降水异常的气候特征与影响因子分析[D].南京气象学院,气象学,2003,硕士.
[50]蒋蓉华.企业知识管理绩效评价研究[D].中南大学,2004.