焊接熔池中的流体力学方程数值模拟研究

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焊接过程的数值模拟涉及到数学、物理学、材料学和冶金学等多个学科。而焊接熔池是整个焊接过程中最复杂也是最重要的部位,它受到温度场、速度场和压力场等多个场的交互作用。由于焊接熔池尺寸较小、但温度极高,且有电弧光的干扰,目前很难用试验的方法观察熔池表面及内部流体流动的情况。而数值方法能够提供焊接熔池中流体流动及传热过程的定量的结果。因此数值模拟方法是研究焊接熔池流场、温度场十分有效的工具。TIG(钨极惰性气体保护电弧焊)焊接熔池的数值模拟问题,涉及到多个场、多个变量之间的耦合,是一个非定常、非线性偏微分方程组的定解问题,求解区域包含固体和液体两个区域,确定边界条件比较困难。其数值求解不仅计算规模庞大,而且涉及到许多方面的数值技术。研究焊接熔池的数值模拟不仅具有重要的理论意义,也具有实际意义。本文的研究内容包括:针对TIG焊接熔池中流场和温度场的耦合问题,分析焊件上液体区域的温度、速度、压力等变量和固体区域的温度变量之间的耦合关系,建立在一定条件下这些变量耦合的三维瞬态控制方程组及初始条件和边界条件;运用有限差分法,对控制方程组进行离散化,其中对时间偏导采用向后差分格式,对空间偏导采用六点对称差分格式,得到离散化方程组;运用牛顿迭代法和超松弛方法求解该方程组;基于MS-Develop Studio软件开发平台,应用Visual Fortran语言编制相应的计算机求解程序;并对0Cr18Ni9不锈钢薄板的TIG焊接熔池中流场和温度场进行数值模拟。通过对实例仿真的结果分析,验证了程序的正确性,同时也验证了本文所建立的数学模型及所采用的数值方法的合理性和有效性。
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