焊接传热学, 就是研究被焊材料受热之后热的传播和分布的有关规律, 它是决定焊接质量和焊接生产率的重要因素。这是由于焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终, 包括被焊材料的加热、熔化、冶金反应、结晶、组织转变等, 并且焊接各部位受不均匀加热及冷却, 也会造成不均匀的应力状态, 产生不同程度的应力变形和形变, 严重焊接质量, 同时焊接热过程也决定了母材及焊材的溶化速度, 也决定着焊接生产率。因此针对焊接热过程开展的焊接传热学教学受到焊接及相关专业的广泛重视, 是焊接专业的主要基础理论之一。
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件, 可广泛用于航空航天、机械制造、能源、汽车交通、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。软件主要包括三个部分:前处理模块, 分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析 (可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析, 可模拟多种物理介质的相互作用, 具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示 (可看到结构内部) 等图形方式显示出来, 也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。截至目前国内外学者利用ANSYS软件针对焊接热过程已开展了大量的研究。
有鉴于此, 本文从焊接传热学教学实践出发。通过将有限元软件ANSYS引入焊接传热学的教学中, 可形象的向学生展示焊接传热学的概念和模型。提高学生的学习兴趣, 使得学生加深对焊接传热学的了解和认识, 增强学生的创造性思维。
1 Ansys软件在焊接传热学教学中的应用
1.1 焊接温度场
焊接时在热源的作用下, 焊件各点的温度每一瞬时都在变化, 在一定的焊接条件时, 这种变化时有规律的。焊件上某一瞬时各点温度的分布称为温度场, 它与磁场和电场有类似的概念, 可以用数学关的关系便是:T=f (x, y, z, t) 式中, T为工件上某一瞬时的温度;x, y, z为工件上某点的空间坐标;t为时间。表示温度场的分布情况, 可以用等温线或等纹面, 即把焊件上瞬时温度相同的各点连在一起成为一条线或一个面。由于受书面 (二维) 的制约, 学生对实际焊件 (三维) 中温度场的分布情况的理解存在一定的困难。此处通过引入ANSYS软件, 得出实际三维焊件温度场的分布情况, 见图1, 使学生加深了对焊接传热学中这一重要概念的理解。
1.2 焊接热循环
在焊接过程中热源沿焊件移动时, 焊件上某点的温度是随时间由低而高达到最大之后, 又由高而低的变化, 称为焊接热循环。它是描述焊接时热源对被焊金属的热作用过程, 在焊缝附近距离焊缝不同的各点, 所经历的热循环不同。这种过程必然会为焊件造成不均匀的组织和不均匀的性能, 同时还能产生复杂的应力和应变, 增加了研究过程的复杂性。
教师在此内容讲述过程中, 引入ANSYS软件针对同一焊件距离焊缝中心不同位置得出其热循环过程, 如图2所示。同时还可对多层多道焊的焊接热循环进行计算, 使学生了解多层多道焊时, 后续焊接对已焊部分热的影响。
1.3 焊接热过程的有限元求解
有限元法 (FEA, Finite Element Analysis) 的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成, 对每一单元假定一个合适的 (较简单的) 近似解, 然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件) , 从而得到问题的解。焊接热过程是一个典型的不稳定热传导过程, 使用有限元法进行解题时, 需要用到变分原理解相关的控制方程和边界条件。如要求学生直接进行编程解答, 需要大量的精力和知识储备才能进行, 使得学生望而却步。通过有限元软件ANSYS应用于焊接热过程中的具体应用实例, 可以使学生快速了解有限元法的基本思路, 包括网格划分、边界条件、载荷加载及结果后处理等。
2 结语
本文通过有限元软件ANSYS对焊接过程进行计算得出的实例, 并结合《焊接传热学》课程教学的实际, 详细论述了该软件在课程讲述中的具体应用。从中可以看出, 在该课程中通过引入该软件可提高学生对该课程的学习兴趣, 使得学生能更好地理解和掌握该课程的重要内容。
摘要：焊接传热学是焊接专业的主要基础理论之一, 由于其内容复杂、抽象, 教师教学及学生学习时都存在较大的困难。本文以焊接温度场、焊接热循环以及焊接热过程的有限元求解等三个焊接传热学的重点概念为实例引入ANSYS软件进行辅助教学。发现通过在焊接传热学教学中引入ANSYS软件进行辅助, 可提高学生的学习兴趣, 使得学生加深对焊接传热学相关理论的了解和认识。
关键词：焊接传热学,ANSYS软件,教学,温度场,热循环
参考文献
[1] 武传松.焊接热过程数值分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1990.
[2] 张朝晖.ANSYS12.0热分析工程应用[M].北京:中国铁道出版社, 2010.