基于ANSYS有限元模拟的铜/钢高频电磁感应焊温度场

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本文通过对电磁场理论、传热理论的应用,对应高频电磁感应焊的特点,应用Maxwell方程组和材料的本构方程组建立了偕变电磁场,并且通过涡流热方程和傅里叶非线性瞬态方程,建立瞬态温度场模型。通过ANSYS有限元分析软件,在实际工件尺寸的条件下抽象出二维轴对称模型,减少了大量计算量;参照已有的经验参数,进行了焊接过程的模拟,并对模型进行了优化和改进。本文的模拟是以电流条件模拟磁场,通过磁场和温度场的直接耦合来求解的:磁场在导体内形成感生电动势,产生感应电流,并由于集肤效应,仅仅集中于铜钢表面;在磁场的作用下,导体表面的感生涡流发热生成温度场;随着温度场变化而变化的材料特性,又反馈给磁场,使得磁场的计算发生变化。这种求解方式直接通过磁场求解,不同于人工在表面设置热源求解,提高了模拟的准确性。本文不仅模拟了一般情况下温度场的分布,还通过控制不同的焊接因素,模拟它们对温度场的影响。易于得知,焊接时间、焊接电流、电源、线圈位置、线圈内径大小都是焊接的重要参数,它们对温度场的影响是不可忽视的。本文通过控制变量法,对以上焊接参数进行模拟,并对其产生的结果进行分析。本文在模拟的基础上,用一套切实可行的工艺参数来验证模拟结果的正确性。在焊接过程中,采用红外线测温仪对工件内壁同一水平位置连续检查温度。将得到的温度连成曲线,与模拟得到的曲线进行对比,并分析其误差。最后将焊件进行剪切应力实验,实验得到铜钢界面的剪切强度可达152MPa。
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