船体钢板切割温度场的有限元数值模拟探究

1、船体钢板切割温度场的有限元数值模拟探究    摘 要:为了探究船体钢板切割温度场的有限元数值模拟,在分析了钢板切割温度场的基本理论的基础上,通过几何模型建立,网格尺寸的划分,材料特性,基于生死单元的热源模型,载荷和边界条件的具体分析,建立了钢板切割的温度场的有限元模型。经过初步计算,证明了数值模型的可行性,并初步得出了一些基本规律。 关键词:船体钢板;有限元;切割;生死单元;温度场 中图分类号:U6;TG4 文献标志码:A文章编号: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 在船舶建造与修理的过程中,有时需要在船体结构上开孔切割,如旧船改造时,为方便设备或工作人员出入舱室,经常需要进行甲板、舱壁的临时开孔,另外,进坞维修的船舶,船体外板腐蚀破损,需对船体外板进行切割换板。所有这些都需要在现场进行大量切割工作,我国船厂所用工艺一般是气体火焰切割。 切割作为焊接生产的第一道加工工序,切割的效率、质量和成本将直接影响整体焊接工程结构的效率、质量和成本。切割变形和残余应力会在外载作用下会引起局部应力集中和附加应力,降低结构的承载能力,使组装件的装配质量下降,导致制造成本上升,生产环境恶化。基于Ansys的有限元数值模拟方法是现在研究工程问题很常见的一种研

6、究方法,下面就对有限元法研究切割过程中的关键点:温度场的数值模拟展开探究。 1 切割的基本理论 1.1 气体切割的原理介绍 最常用的气体火焰切割是氧-乙炔火焰切割,氧气切割(气割)是根据高温金属在氧气中能剧烈燃烧的原理,利用割炬喷射高压氧气进行切割的。气割时,先用氧-乙炔焰将金属预热至燃点(碳钢为1100-1150),然后喷射高压氧气流使金属燃烧,形成氧化熔渣被氧气吹走1。随着割炬的均匀移动,工件被割出平整的切口,如图1所示: 气割具有设备简单、成本低、生产率较高、可切割形状复杂和厚壁零件等特点,因此在船厂广泛的应用,但只适用于切割低碳铜、低合金钢。 钢材氧气切割时铁与氧的反应有以下几种形式:

7、 Fe+0.5O?2?FeO+267.8kJ2Fe+1.5O?2?Fe?2O?3+823.2kJ3Fe+2O ?2?Fe?3O?4+1120.5kJ 通常认为,氧气切割的热源乃是铁氧反应热。这就是说,气割的热源来自被切割材料本身。但也有资料认为,预热火焰的热量也起作用,并指出,在正常气割的条件下,氧化反应热与预热火焰热量所占的比重随所切割钢材的厚度而异2。 1.2 切割温度场解析模型研究情况 目前,描述切割温度场的解析模型较少,基本都是关于激光切割方面。有些还借用了焊接温度场模型。事实上切割温度场与焊接温度场有明显不同: 1)焊接过程中只有一个热源,而氧气切割过程中除了激光热源外还有铁氧燃烧反

8、应提供的热量; 2)切割过程中熔融物质被吹出时带走了大量能量,因而在计算时必须考虑。而目前许多模型均忽略对流、辐射、及熔渣去除所带走热量; 3)由于形成切缝,板料连续性被破坏,而焊接后板料是连续的 1.3 切割过程的能量平衡 切割所需最小能量由加热工件的热量、使工件熔化的能量、材料汽化所需能量、热传导损失的能量、氧流带走的能量、辐射损失能量以及对流损失能量组成。 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) 切割过程中能量供给分别由热焰和铁氧燃烧反应

9、提供,即:P?L+P?r=P?s 1.4 切割过程导热微分方程 在特定的时刻,温度分布越不均匀,其温度的变化越迅速。对均匀、各向同性的连续体介质,且其材料特征值与温度无关时,在能量守恒原理的基础上,假设微元体中有热源的存在且已知单位体积产生的热量为,可得到下面的热传导微分方程为: c?T?t-k?2T?x?2+?2T?y?2+?2T?T?2-?Q?t=0 第一类边界条件,已知边界上的温度值:T?s=T?s(x,y,z,t) 第二类边界条件,己知热量密度:k?T?n=Q?s(x,y,z,t) 第三类边界条件,己知边界上物体与周围介质的热交换:k?T?n=a(T?a-T?s) 2 温度场有限元计算

10、模型的建立 2.1 温度场有限元计算的基本理论 1)空间域的离散 C(T)+K(T)T=Q(T) 2)时间域的离散 T?n-1?-T?nt=?tT?n+?tT?n-1?-?tT?n-1?-?tT?n 2.2 温度场有限元计算模型的建立过程为: 1)几何实体模型和网格划分 2)材料物理性能参数 下面列出导热系数和比热容的热物性曲线: 3)边界条件和初始条件的选择 在计算的几何模型中,周边的边界条件可以这样考虑:割缝中心线(对称线)处于中间对称面为绝热边界条件,其他三个周边和工件上下表面与周围环境的热交换,按对流和辐射来处理。     对流边界条件: q?c

11、=a?c(T-T?oc?) 辐射边界条件: q?r=(T?4-T?4?or?) 4)基于生死单元技术的热源模型 切割时主要的能量来自反应热,建立热源模型主要考虑反应热的影响。高斯函数分布的热源模型将切割热流直接施加到整个构件有限元模型上,不能模拟切割金属熔化和吹掉,在模拟实际切割过程时有所欠缺,而生死单元技术可以克服这个缺点,生死单元技术就是采用生死单元模拟割缝方法来模拟切割热输入过程,将全部切割热均匀分布在割缝上。 在开始计算前,将割缝中待割单元施加生热率,热载荷的作用时间等于实际切割时间。 HGEN=Q/(A?cut?×v×dt) 其中HGEN为每个载荷步施加的生热率,

12、W/m?3;A?cut?为焊缝的横截面积,m?2;v为切割速度m/s;dt为每个载荷步的时间步长s。 在计算过程中,根据切割顺序将割缝单元依次施加生热率后“杀死”,模拟金属的切割3。 5)载荷施加和求解 用ANSYS的APDL语言编写子程序,沿切割方向将割缝长度L分为N段,施加生热率和高斯热源在各段的中点上,依次作为热源中心,生热率的作用时间为L/(Nv),每段计算为一个载荷步;在进行下一个载荷步时,需消除上一段所加的复合热源,并“杀死”上一段的单元。如此循环计算即可模拟热源的移动,实现切割瞬态温度场的计算4。 2.3 计算实例(平板切割) t=8s时的温度场 t=16s时的温度场 由以上得出

13、的温度云图,平行及垂直割缝线上得温度随时间变化图和分布图可知,在焰心切割点的温度始终为最高,且在割缝方向上,被切割的点温度是最高的,刚经过的点自然冷却,但在短时间内都要高于后面还没经过的点,在垂直于割缝的方向上,则是离割缝距离越近温度越高,一定距离处几乎为零。 3 结论与展望 本文探究了有限元法研究切割过程中的关键点:温度场的数值模拟,在分析了钢板切割的温度场的基本理论的基础上,通过几何模型建立,网格尺寸的划分,材料特性,基于生死单元的热源模型,载荷和边界条件的具体分析,建立了钢板切割的温度场的有限元模型。经过初步计算,证明了数值模型的可行性,并初步得出了一些基本规律。 下一步的工作中,建立变形场的有限元模型,然后经过试验验证后,就可以通过大量的数值模拟计算去分析切割开口温度场和变形场的基本规律,而不必用钢材去反复的做一些试验,节省大量