焊接傳熱學, 就是研究被焊材料受熱之后熱的傳播和分布的有關規律, 它是決定焊接質量和焊接生產率的重要因素。這是由于焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終, 包括被焊材料的加熱、熔化、冶金反應、結晶、組織轉變等, 并且焊接各部位受不均勻加熱及冷卻, 也會造成不均勻的應力狀態, 產生不同程度的應力變形和形變, 嚴重焊接質量, 同時焊接熱過程也決定了母材及焊材的溶化速度, 也決定著焊接生產率。因此針對焊接熱過程開展的焊接傳熱學教學受到焊接及相關專業的廣泛重視, 是焊接專業的主要基礎理論之一。
ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件, 可廣泛用于航空航天、機械制造、能源、汽車交通、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業及科學研究。軟件主要包括三個部分:前處理模塊, 分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具, 用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析 (可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析) 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析, 可模擬多種物理介質的相互作用, 具有靈敏度分析及優化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示 (可看到結構內部) 等圖形方式顯示出來, 也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。截至目前國內外學者利用ANSYS軟件針對焊接熱過程已開展了大量的研究。
有鑒于此, 本文從焊接傳熱學教學實踐出發。通過將有限元軟件ANSYS引入焊接傳熱學的教學中, 可形象的向學生展示焊接傳熱學的概念和模型。提高學生的學習興趣, 使得學生加深對焊接傳熱學的了解和認識, 增強學生的創造性思維。
1 Ansys軟件在焊接傳熱學教學中的應用
1.1 焊接溫度場
焊接時在熱源的作用下, 焊件各點的溫度每一瞬時都在變化, 在一定的焊接條件時, 這種變化時有規律的。焊件上某一瞬時各點溫度的分布稱為溫度場, 它與磁場和電場有類似的概念, 可以用數學關的關系便是:T=f (x, y, z, t) 式中, T為工件上某一瞬時的溫度;x, y, z為工件上某點的空間坐標;t為時間。表示溫度場的分布情況, 可以用等溫線或等紋面, 即把焊件上瞬時溫度相同的各點連在一起成為一條線或一個面。由于受書面 (二維) 的制約, 學生對實際焊件 (三維) 中溫度場的分布情況的理解存在一定的困難。此處通過引入ANSYS軟件, 得出實際三維焊件溫度場的分布情況, 見圖1, 使學生加深了對焊接傳熱學中這一重要概念的理解。
1.2 焊接熱循環
在焊接過程中熱源沿焊件移動時, 焊件上某點的溫度是隨時間由低而高達到最大之后, 又由高而低的變化, 稱為焊接熱循環。它是描述焊接時熱源對被焊金屬的熱作用過程, 在焊縫附近距離焊縫不同的各點, 所經歷的熱循環不同。這種過程必然會為焊件造成不均勻的組織和不均勻的性能, 同時還能產生復雜的應力和應變, 增加了研究過程的復雜性。
教師在此內容講述過程中, 引入ANSYS軟件針對同一焊件距離焊縫中心不同位置得出其熱循環過程, 如圖2所示。同時還可對多層多道焊的焊接熱循環進行計算, 使學生了解多層多道焊時, 后續焊接對已焊部分熱的影響。
1.3 焊接熱過程的有限元求解
有限元法 (FEA, Finite Element Analysis) 的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成, 對每一單元假定一個合適的 (較簡單的) 近似解, 然后推導求解這個域總的滿足條件 (如結構的平衡條件) , 從而得到問題的解。焊接熱過程是一個典型的不穩定熱傳導過程, 使用有限元法進行解題時, 需要用到變分原理解相關的控制方程和邊界條件。如要求學生直接進行編程解答, 需要大量的精力和知識儲備才能進行, 使得學生望而卻步。通過有限元軟件ANSYS應用于焊接熱過程中的具體應用實例, 可以使學生快速了解有限元法的基本思路, 包括網格劃分、邊界條件、載荷加載及結果后處理等。
2 結語
本文通過有限元軟件ANSYS對焊接過程進行計算得出的實例, 并結合《焊接傳熱學》課程教學的實際, 詳細論述了該軟件在課程講述中的具體應用。從中可以看出, 在該課程中通過引入該軟件可提高學生對該課程的學習興趣, 使得學生能更好地理解和掌握該課程的重要內容。
摘要：焊接傳熱學是焊接專業的主要基礎理論之一, 由于其內容復雜、抽象, 教師教學及學生學習時都存在較大的困難。本文以焊接溫度場、焊接熱循環以及焊接熱過程的有限元求解等三個焊接傳熱學的重點概念為實例引入ANSYS軟件進行輔助教學。發現通過在焊接傳熱學教學中引入ANSYS軟件進行輔助, 可提高學生的學習興趣, 使得學生加深對焊接傳熱學相關理論的了解和認識。
關鍵詞：焊接傳熱學,ANSYS軟件,教學,溫度場,熱循環
參考文獻
[1] 武傳松.焊接熱過程數值分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社, 1990.
[2] 張朝暉.ANSYS12.0熱分析工程應用[M].北京:中國鐵道出版社, 2010.