船體鋼板切割溫度場的有限元數(shù)值模擬探究

1、船體鋼板切割溫度場的有限元數(shù)值模擬探究    摘 要:為了探究船體鋼板切割溫度場的有限元數(shù)值模擬,在分析了鋼板切割溫度場的基本理論的基礎(chǔ)上,通過幾何模型建立,網(wǎng)格尺寸的劃分,材料特性,基于生死單元的熱源模型,載荷和邊界條件的具體分析,建立了鋼板切割的溫度場的有限元模型。經(jīng)過初步計(jì)算,證明了數(shù)值模型的可行性,并初步得出了一些基本規(guī)律。 關(guān)鍵詞:船體鋼板;有限元;切割;生死單元;溫度場 中圖分類號(hào):U6;TG4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671?7953(2009)04?0011?03 The Research on the Finite Element N

2、umerical Simulation of Temperature Field About the Cutting of the Hull Plate GAO Fei,HUANG Hao (School of Naval Architecture Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China) Abstract: In order to research into finite element numerical simulation of temperature field about the cutting

3、 of the hull steel,on the basis of the analysis of the basic theory about the steel cutting of the temperature field,through the establishment of the geometric model,the division of mesh size,material properties and so on,based on life and death of the heat unit model,load and analysis of the specif

4、ic boundary conditions,the temperature field finite element model of plate cutting is established. After a preliminary calculating,it proves the feasibility of a numerical model and gets some preliminary basic regulations. Key words: hull plate;finite element;cutting;life and death of unit;temperatu

5、re field 在船舶建造與修理的過程中,有時(shí)需要在船體結(jié)構(gòu)上開孔切割,如舊船改造時(shí),為方便設(shè)備或工作人員出入艙室,經(jīng)常需要進(jìn)行甲板、艙壁的臨時(shí)開孔,另外,進(jìn)塢維修的船舶,船體外板腐蝕破損,需對(duì)船體外板進(jìn)行切割換板。所有這些都需要在現(xiàn)場進(jìn)行大量切割工作,我國船廠所用工藝一般是氣體火焰切割。 切割作為焊接生產(chǎn)的第一道加工工序,切割的效率、質(zhì)量和成本將直接影響整體焊接工程結(jié)構(gòu)的效率、質(zhì)量和成本。切割變形和殘余應(yīng)力會(huì)在外載作用下會(huì)引起局部應(yīng)力集中和附加應(yīng)力,降低結(jié)構(gòu)的承載能力,使組裝件的裝配質(zhì)量下降,導(dǎo)致制造成本上升,生產(chǎn)環(huán)境惡化?；贏nsys的有限元數(shù)值模擬方法是現(xiàn)在研究工程問題很常見的一種研

6、究方法,下面就對(duì)有限元法研究切割過程中的關(guān)鍵點(diǎn):溫度場的數(shù)值模擬展開探究。 1 切割的基本理論 1.1 氣體切割的原理介紹 最常用的氣體火焰切割是氧-乙炔火焰切割,氧氣切割(氣割)是根據(jù)高溫金屬在氧氣中能劇烈燃燒的原理,利用割炬噴射高壓氧氣進(jìn)行切割的。氣割時(shí),先用氧-乙炔焰將金屬預(yù)熱至燃點(diǎn)(碳鋼為1100-1150),然后噴射高壓氧氣流使金屬燃燒,形成氧化熔渣被氧氣吹走1。隨著割炬的均勻移動(dòng),工件被割出平整的切口,如圖1所示: 氣割具有設(shè)備簡單、成本低、生產(chǎn)率較高、可切割形狀復(fù)雜和厚壁零件等特點(diǎn),因此在船廠廣泛的應(yīng)用,但只適用于切割低碳銅、低合金鋼。 鋼材氧氣切割時(shí)鐵與氧的反應(yīng)有以下幾種形式:

7、 Fe+0.5O?2?FeO+267.8kJ2Fe+1.5O?2?Fe?2O?3+823.2kJ3Fe+2O ?2?Fe?3O?4+1120.5kJ 通常認(rèn)為,氧氣切割的熱源乃是鐵氧反應(yīng)熱。這就是說,氣割的熱源來自被切割材料本身。但也有資料認(rèn)為,預(yù)熱火焰的熱量也起作用,并指出,在正常氣割的條件下,氧化反應(yīng)熱與預(yù)熱火焰熱量所占的比重隨所切割鋼材的厚度而異2。 1.2 切割溫度場解析模型研究情況 目前,描述切割溫度場的解析模型較少,基本都是關(guān)于激光切割方面。有些還借用了焊接溫度場模型。事實(shí)上切割溫度場與焊接溫度場有明顯不同: 1)焊接過程中只有一個(gè)熱源,而氧氣切割過程中除了激光熱源外還有鐵氧燃燒反

8、應(yīng)提供的熱量; 2)切割過程中熔融物質(zhì)被吹出時(shí)帶走了大量能量,因而在計(jì)算時(shí)必須考慮。而目前許多模型均忽略對(duì)流、輻射、及熔渣去除所帶走熱量; 3)由于形成切縫,板料連續(xù)性被破壞,而焊接后板料是連續(xù)的 1.3 切割過程的能量平衡 切割所需最小能量由加熱工件的熱量、使工件熔化的能量、材料汽化所需能量、熱傳導(dǎo)損失的能量、氧流帶走的能量、輻射損失能量以及對(duì)流損失能量組成。 P?s=vwhc(T?p-T?0)+L?f/c+Lv/c+4kh(T?m1?-T?0)(P?e2)?0.36?+C?p(m?j-m?r)(T?m2?-T?0)+ST?4+S(T?p-T?g) 切割過程中能量供給分別由熱焰和鐵氧燃燒反應(yīng)

9、提供,即:P?L+P?r=P?s 1.4 切割過程導(dǎo)熱微分方程 在特定的時(shí)刻,溫度分布越不均勻,其溫度的變化越迅速。對(duì)均勻、各向同性的連續(xù)體介質(zhì),且其材料特征值與溫度無關(guān)時(shí),在能量守恒原理的基礎(chǔ)上,假設(shè)微元體中有熱源的存在且已知單位體積產(chǎn)生的熱量為,可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程為: c?T?t-k?2T?x?2+?2T?y?2+?2T?T?2-?Q?t=0 第一類邊界條件,已知邊界上的溫度值:T?s=T?s(x,y,z,t) 第二類邊界條件,己知熱量密度:k?T?n=Q?s(x,y,z,t) 第三類邊界條件,己知邊界上物體與周圍介質(zhì)的熱交換:k?T?n=a(T?a-T?s) 2 溫度場有限元計(jì)算

10、模型的建立 2.1 溫度場有限元計(jì)算的基本理論 1)空間域的離散 C(T)+K(T)T=Q(T) 2)時(shí)間域的離散 T?n-1?-T?nt=?tT?n+?tT?n-1?-?tT?n-1?-?tT?n 2.2 溫度場有限元計(jì)算模型的建立過程為: 1)幾何實(shí)體模型和網(wǎng)格劃分 2)材料物理性能參數(shù) 下面列出導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的熱物性曲線: 3)邊界條件和初始條件的選擇 在計(jì)算的幾何模型中,周邊的邊界條件可以這樣考慮:割縫中心線(對(duì)稱線)處于中間對(duì)稱面為絕熱邊界條件,其他三個(gè)周邊和工件上下表面與周圍環(huán)境的熱交換,按對(duì)流和輻射來處理。     對(duì)流邊界條件: q?c

11、=a?c(T-T?oc?) 輻射邊界條件: q?r=(T?4-T?4?or?) 4)基于生死單元技術(shù)的熱源模型 切割時(shí)主要的能量來自反應(yīng)熱,建立熱源模型主要考慮反應(yīng)熱的影響。高斯函數(shù)分布的熱源模型將切割熱流直接施加到整個(gè)構(gòu)件有限元模型上,不能模擬切割金屬熔化和吹掉,在模擬實(shí)際切割過程時(shí)有所欠缺,而生死單元技術(shù)可以克服這個(gè)缺點(diǎn),生死單元技術(shù)就是采用生死單元模擬割縫方法來模擬切割熱輸入過程,將全部切割熱均勻分布在割縫上。 在開始計(jì)算前,將割縫中待割單元施加生熱率,熱載荷的作用時(shí)間等于實(shí)際切割時(shí)間。 HGEN=Q/(A?cut?×v×dt) 其中HGEN為每個(gè)載荷步施加的生熱率,

12、W/m?3;A?cut?為焊縫的橫截面積,m?2;v為切割速度m/s;dt為每個(gè)載荷步的時(shí)間步長s。 在計(jì)算過程中,根據(jù)切割順序?qū)⒏羁p單元依次施加生熱率后“殺死”,模擬金屬的切割3。 5)載荷施加和求解 用ANSYS的APDL語言編寫子程序,沿切割方向?qū)⒏羁p長度L分為N段,施加生熱率和高斯熱源在各段的中點(diǎn)上,依次作為熱源中心,生熱率的作用時(shí)間為L/(Nv),每段計(jì)算為一個(gè)載荷步;在進(jìn)行下一個(gè)載荷步時(shí),需消除上一段所加的復(fù)合熱源,并“殺死”上一段的單元。如此循環(huán)計(jì)算即可模擬熱源的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)切割瞬態(tài)溫度場的計(jì)算4。 2.3 計(jì)算實(shí)例(平板切割) t=8s時(shí)的溫度場 t=16s時(shí)的溫度場 由以上得出

13、的溫度云圖,平行及垂直割縫線上得溫度隨時(shí)間變化圖和分布圖可知,在焰心切割點(diǎn)的溫度始終為最高,且在割縫方向上,被切割的點(diǎn)溫度是最高的,剛經(jīng)過的點(diǎn)自然冷卻,但在短時(shí)間內(nèi)都要高于后面還沒經(jīng)過的點(diǎn),在垂直于割縫的方向上,則是離割縫距離越近溫度越高,一定距離處幾乎為零。 3 結(jié)論與展望 本文探究了有限元法研究切割過程中的關(guān)鍵點(diǎn):溫度場的數(shù)值模擬,在分析了鋼板切割的溫度場的基本理論的基礎(chǔ)上,通過幾何模型建立,網(wǎng)格尺寸的劃分,材料特性,基于生死單元的熱源模型,載荷和邊界條件的具體分析,建立了鋼板切割的溫度場的有限元模型。經(jīng)過初步計(jì)算,證明了數(shù)值模型的可行性,并初步得出了一些基本規(guī)律。 下一步的工作中,建立變形場的有限元模型,然后經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證后,就可以通過大量的數(shù)值模擬計(jì)算去分析切割開口溫度場和變形場的基本規(guī)律,而不必用鋼材去反復(fù)的做一些試驗(yàn),節(jié)省大量