2013年--外文翻譯--雙絲埋弧焊過程的數(shù)值模擬模型（譯文）

1、<p>　　中文4215字,2780單詞，14000英文字符</p><p>　　出處：Rusu C, Scutelnicu E, Mistodie L, et al. Numerical Models for Simulation of Submerged Double Arc Welding Process[J]. Recent Advances in Industrial and Manufact

2、uring Technologies, 2013: 233-238.</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯譯文</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　院 （系）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級：

3、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期: 20 14 年 3 月 3 日 </p><p>　　雙絲埋弧焊過程的數(shù)值模擬模型</p><p>　　Numerical Models for Simulation of Sub

4、merged Double Arc Welding Process</p><p>　　作者：CARMEN CATALINA RUSU, ELENA SCUTELNICU, LUIGI RENATO MISTODIE, VIRGIL TEODOR </p><p>　　起止頁碼：233-238</p><p>　　出版日期（期刊號）：27(2012)233—238&

5、lt;/p><p>　　出版單位：Recent Advances in Industrial and Manufacturing Technologies</p><p>　　摘要：由于埋弧焊的生產(chǎn)力以及生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢所以經(jīng)常應(yīng)用于全球范圍內(nèi)的石油、天然氣、石化、海上油田等領(lǐng)域。這項報告著重于研究有限元模型（對天然氣管道縱向焊縫的模擬）的發(fā)展，在焊接過程中，熱量的傳輸對材料性能的影響是十分關(guān)

6、鍵的。和單絲埋弧焊相比，雙絲埋弧焊在溫度場上表現(xiàn)為一種弧光疊加的效應(yīng)。如果不為所選擇的母材設(shè)計合適的焊接過程、焊接工藝參數(shù)，那么材料的力學(xué)性能就會下降。因為在焊接過程中會達到峰值溫度，所以在焊接的熱影響區(qū)或者是熔合區(qū)會發(fā)生重要的冶金反應(yīng)以及機械性能的變化。綜上需要對此過程傳熱進行一個深入的分析，以此來預(yù)測出焊接接頭的溫度分布，熱循環(huán)，熱影響區(qū)的擴展以及冷卻速度。</p><p>　　這篇論文提出了三維有限元模型，

7、用來對比分析雙絲或三絲埋弧焊中的熱量傳輸。這兩個電弧被描述成移動的具有高斯分布的雙橢球模型，溫度改變熱物理性能，在這個模型中介紹了由于熱對流以及熱輻射而導(dǎo)致的熱量散失。原始的時間函數(shù)（以一連串的三角函數(shù)的形式表示出來），模擬了焊接接頭縱向上連續(xù)運動的焊接熱源。數(shù)據(jù)結(jié)果被研究討論，最終得出了關(guān)于雙絲埋弧焊的一些重要結(jié)論。</p><p>　　關(guān)鍵詞：雙絲埋弧焊；有限元分析（FEA）；熱傳導(dǎo)；溫度場；熱循環(huán)</

8、p><p><b>　　1. 概述</b></p><p>　　大多數(shù)研究焊接過程熱傳導(dǎo)的文獻都假設(shè)熱源是集中在材料的一塊很小的體積里。在這樣的基礎(chǔ)之上，羅森塔爾[1]通過假設(shè)一個點，一條線，以及一個平面，得出了相應(yīng)的解析式。正如Goldak, Bibby和Chakravarti [2]所提到的，這些集中熱源模型在一些區(qū)域（此區(qū)域內(nèi)溫度不超過材料熔點的百分之二十）具有更高

9、的精確度。</p><p>　　作者為無限大固態(tài)狀態(tài)的材料提出二維以及三維熱流通量，并且通過不同不同形狀的板材的溫度測量證實了這些模型，但是這些在融合區(qū)和熱影響區(qū)所得到的溫度測量與解析方程得到的值顯著不同。</p><p>　　在Goldak [3、4]提出了更為復(fù)雜的熱源模型，這一熱源被假設(shè)成橢圓形的模型而且經(jīng)常被用在焊接過程的模擬中。除此之外，Goldak在熱源的前部和后部以不同的比例

10、建立了不同熱流量的模型。在Sabapathy [5] 和Ravichandran[6]中也建立了一些新的其他的熱源模型。在埋弧焊接過程的模擬中Ueda和Yamakawa[7], Hibbitt和Marçal [8]可以被認(rèn)為將有限元模型應(yīng)用在焊接過程模擬中的先驅(qū)。在Friedman[8], Rybicki [9] Andersson[10]描述了一種應(yīng)用于焊接模擬過程的數(shù)學(xué)方法（包括順序耦合分析技術(shù)的一些基本方法）。Frie

11、dman[9]和Andersson[10]平板對接過程中的熱物理過程并且把它當(dāng)做模型的一半，這就需要大量的數(shù)據(jù)處理以及計算時間。這些模型技術(shù)估測了更多的目標(biāo)元素以及元素組合類別，設(shè)計了更為精細的網(wǎng)格，以及運用了不同數(shù)量的積分方法等。開發(fā)了更具動態(tài)性更具適應(yīng)性的離散化網(wǎng)格元素者McDill[11]也做出了意義非凡的貢獻。在重要的區(qū)域內(nèi)（在這些區(qū)域內(nèi)通常溫度梯度很大冶金以及力學(xué)性能大大降低）需要更為精細的網(wǎng)</p><p

12、>　　在這篇論文中，作者提出了一個新型的關(guān)于雙絲埋弧焊焊接部分管線特定的熔池的三維模型，這一模型將會預(yù)測出雙弧—雙絲以及雙弧—三絲的溫度場分布。最后進行對這些實驗以及數(shù)據(jù)結(jié)果的分析和討論。</p><p>　　2. 通過有限元的方法來分析溫度場</p><p>　　在埋弧焊過程中產(chǎn)生的熱量輸入限制了生產(chǎn)力的提高。為了得到更好的焊接接頭的力學(xué)性能，熱量的輸入應(yīng)被限制和分布在多個弧上[1

13、2]。</p><p>　　在兩個橢圓形的基礎(chǔ)上，通過有限元來分析雙絲埋弧焊對接接頭的模擬已經(jīng)相應(yīng)研究出來。在相同大小的平板中的熱量傳輸已經(jīng)建立了模型，同樣，應(yīng)用COSMOS/M 2.5代碼也可以解決三維的熱量傳輸問題。這一模型考慮了真實焊接的各個方位。同時也做出了焊接熔池以及熱影響區(qū)的網(wǎng)格細化。這些數(shù)值模型是建立在以下假設(shè)上的：</p><p>　　1、母材被認(rèn)為使各向同性的。</

14、p><p>　　2、材料的熱物理性能取決于溫度。</p><p>　　3、每個熱源所特有的熱通量分布滿足高斯分布。</p><p>　　4、焊接熱源的模型是建立在Goldak模型的基礎(chǔ)上的。</p><p>　　5、考慮熱對流以及熱輻射的損失。</p><p>　　6、在熔池中，流體的流動可以被忽視。</p>

15、<p>　　7、母材最初的溫度是20℃。</p><p>　　在熱傳輸模型里通過熱對流以及熱輻射損失的熱量被引入進來，我們設(shè)定對流傳熱系數(shù)為12 Wm-2K-1，輻射系數(shù)為0.7，史蒂芬孫—玻爾茲曼常數(shù)為5.67x10-8Wm-2K-4。</p><p>　　焊接速度在整個過程中被認(rèn)為是恒定的，熱輸入隨著熱源的持續(xù)移動保持恒定狀態(tài)，加熱和融化了它前面的新的區(qū)域同時對焊接熔池保持

16、一定的影響。為了模擬焊接過程，我們很有必要確定一些函數(shù)例如一系列三角函數(shù)的總和（圖1）.三角函數(shù)的連續(xù)性描述出了焊接熱源的位置?？紤]總的焊接時間以及隨著焊接接頭縱向熱源的位置，三角函數(shù)的數(shù)量可以被計算出來。溫度場是從最初的t=0到最終t=tn[13]時刻焊接過程中熱效應(yīng)所引起的。第一個熱源移動的模擬用函數(shù),F1,F2...Fn-1,第二個熱源用函數(shù)G1，G2...Gn-1對于兩個共同的熱源來說涉及到熱流時間函數(shù)的數(shù)量取決于焊接速度以及總

17、的焊接時間。在數(shù)值分析中，此過程被分為四個特定的階段：</p><p>　　在焊接的一開始，第一個熱源以恒定的速度在距離焊接接頭縱軸線的100mm處移動。</p><p>　　當(dāng)?shù)谝粋€熱源行走100mm之后第二個熱源以相同的速度開始加熱薄板。</p><p>　　在第三階段，第一個熱源停止加熱薄板，第二個熱源一直運動到薄板的末端。</p><p&

18、gt;　　最后一個階段就是薄板自然冷卻。</p><p>　　三維固體8-20號被選為元素類型，最終的模型包括4889個表面，1344塊體積以及101848個元素。焊接接頭模型被假設(shè)成為對稱的，所以只有一半的模型被應(yīng)用到分析中來。</p><p>　　圖1 描述熱源移動模擬的時間函數(shù)</p><p>　　根據(jù)Goldak [3]，描述熱源區(qū)域熱流量的熱流等式如下所

19、述：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　其中Q是每個熱源形成的熱通量；</p><p><b>　　a-熱源深度；</b></p><p><b>　　b-熱源長度；</b></p><p><b>　　c-熱源寬

20、度；</b></p><p><b>　　U-焊接電壓；</b></p><p><b>　　I-安培數(shù)；</b></p><p><b>　　η-弧焊速度；</b></p><p>　　大小—a，b，和c—每個熱源都有其特定的數(shù)值，如表1所述。</p>

21、<p><b>　　表1 熱源的方向</b></p><p>　　為了模擬出雙弧—雙絲，雙弧—三絲埋弧焊，我們可以設(shè)計兩種方法，這兩種方法見圖2和圖3。在第一個假設(shè)中，我們假設(shè)兩個弧是在不同的熔池中。在第二個假設(shè)中，前兩個絲假設(shè)是在同一熔池中，第三根絲形成了第二個弧焊。</p><p>　　數(shù)值分析中所引入的關(guān)于雙弧—雙絲以及雙弧—三絲的參數(shù)在表2中列

22、了出來。這些參數(shù)都是在實驗中真實采用的。熱源1和熱源2被用于模擬埋弧焊雙弧—雙絲。在雙弧—三絲中第1和第3個熱源被用于第一個弧，第二個熱源用于模擬第二個弧。</p><p>　　圖2 雙弧—雙絲構(gòu)造</p><p>　　圖3 雙弧—三絲構(gòu)造 </p><p>　　圖4 雙弧—雙絲過程中隨著不同時間的溫度場分布</p><p><b

23、>　　表2 焊接參數(shù)</b></p><p><b>　　3. 結(jié)果和討論</b></p><p>　　當(dāng)兩個熱源被應(yīng)用到雙弧—雙絲設(shè)計中時，隨著時間的改變溫度分布如圖4.在這過程的一開始，在不穩(wěn)定階段，由于平板的低溫以及焊接過程的不穩(wěn)定，焊接熱影響區(qū)的面積會很小。在穩(wěn)定階段—當(dāng)焊接過程穩(wěn)定時—第一個熱源周圍的最高溫度達到了大約1588℃，第二個熱

24、源周圍達到了大約1995℃。</p><p>　　因此我們可以得到數(shù)值的結(jié)果，從圖表5可以看出，我們分析以前的那些結(jié)點（位于焊接接頭縱向方向的垂直方向上不同距離處）。顯然地，在最靠近焊接縱向右側(cè)的節(jié)點上最容易達到峰值溫度。同時，熱循環(huán)曲線的形狀代表著第二個熱源在以往的溫度以及進一步是對溫度場的影響。在加熱階段，第一個熱源的路徑導(dǎo)致了所有選擇節(jié)點溫度的上升。當(dāng)熱源位于靠近焊接接頭方向的位置時更容易達到峰值溫度，在最

25、靠近焊接接頭縱向的方向上，溫度梯度很大意味著溫度下降最快。</p><p>　　從那之后，焊接熱源逐漸移走，我們可以看到在靠近焊接接頭縱向的方向上溫度或多或少的就會下降，在相距很遠的點處，由于低的加熱速度以及靠近第二個熱源，溫度便不斷地在增加。在這些情況下便不會出現(xiàn)冷卻階段。當(dāng)?shù)竭_第二個焊接時，溫度開始上升并且峰值溫度達到了1995℃。從這一刻開始，所有被分析的點都開始降溫，下降的幅度符合溫度下降速度曲線。即使第

26、一個熱源在焊接薄板上會引起一個較高的熱輸入，達到的最高溫度比第二個熱源引起的還要低，這是由于第一個熱源觸碰到的是板的冷的區(qū)域，第二個熱源觸碰到的是板的比較熱的區(qū)域。</p><p>　　圖5 距離焊接方向上不同距離處節(jié)點的熱循環(huán)曲線（雙絲設(shè)計）</p><p>　　隨時間變化不同溫度分布在表6中可以得到（當(dāng)三種熱源被應(yīng)用到雙弧—三絲的結(jié)構(gòu)中時）。在焊接的開始階段，在不穩(wěn)定過程中，焊接熱影

27、響區(qū)和雙弧—雙絲結(jié)構(gòu)模型比較像。在穩(wěn)定階段，當(dāng)焊接過程開始穩(wěn)定時，峰值溫度在第一個?。▋蓚€熱源構(gòu)成）的附近大約1955℃，在第二個弧的的附近大約1594℃（三個熱源）。</p><p>　　在雙弧—三絲的結(jié)構(gòu)中，處理了一下得到的數(shù)值結(jié)果得到一張表，正如圖7所示。同時，我們也分析了在雙弧—雙絲構(gòu)造中的相同節(jié)點（這些節(jié)點均勻分布在焊接方向上不同距離處）的熱溫度歷史。在第一個例子中，峰值溫度容易在焊接方向的右邊得到。同

28、時，熱循環(huán)曲線的形狀表示了在對溫度歷史進而再對溫度場上的影響。</p><p>　　圖6 在兩弧—三絲埋弧焊構(gòu)造中隨時間不同的溫度場分布</p><p>　　在加熱階段，在所有被選的節(jié)點中，在到達兩個合并的路徑過程中會導(dǎo)致溫度的升高。在焊接接頭長度方向上靠近接頭最近的節(jié)點處溫度梯度最大，因而意味著溫度下降的最大。從那之后，第一個焊接熱源逐漸移開，我們可以發(fā)現(xiàn)在靠近焊接接頭方向的節(jié)點處溫度

29、逐漸下降。在較遠的一些點處，因為低的加熱速度以及快要到達第二個熱源區(qū)，溫度便逐漸上升。在第一種情況下就不會出現(xiàn)冷卻階段。當(dāng)?shù)谌齻€熱源開始靠近的時候，溫度便開始上升，但是并沒有超過峰值溫度，當(dāng)?shù)谝粋€雙熱源被作用時便達到了峰值溫度1995℃。從這一時刻開始，通過對流便開始使溫度不斷下降，它便形成了相同的熔池（第一個焊接電?。?，便導(dǎo)致了一個更高的熱輸入，以及因為冷卻區(qū)域原因所導(dǎo)致的溫度下降的情況出現(xiàn)。所以在焊接的第一個工序中，雙絲埋弧焊的使用

30、可以被認(rèn)為是能夠形成一個很好的熔深以及優(yōu)良的焊接接頭的熔化進而會提高埋弧焊效率。</p><p>　　圖7 距離焊縫方向處不同位置的點的熱循環(huán)曲線（設(shè)計三絲的情況）</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　在調(diào)查的基礎(chǔ)上，可以得到這下結(jié)論：</p><p>　　1. 有限元的方法在焊接溫度場的預(yù)測方

31、面以及為了獲得良好的焊接力學(xué)以及冶金性能而經(jīng)優(yōu)化的焊接技術(shù)起到很大作用。</p><p>　　2. 基于Goldak的橢圓形熱源的平衡公式，作者建立了一個新型的雙絲埋弧焊的三維數(shù)值模型。</p><p>　　3. 在有效地使用焊接技術(shù)時，一個擁有著很高的精確度以及合理的計算時間的數(shù)學(xué)公式便可以應(yīng)用于工程領(lǐng)域。</p><p>　　4. 因為焊接部分的所受的溫度歷史對

32、焊接接頭結(jié)構(gòu)（因為焊接接頭性能的好壞會涉及到焊接金屬結(jié)構(gòu)的安全性問題）影響意義深遠，所以我們有必要要知道它們。</p><p>　　5. 因為雙絲埋弧焊具有高的熔敷效率以及高的焊接速度所以它能大大提高生產(chǎn)效率，所以它更適用于管線的制造或者在海軍工業(yè)方面。</p><p>　　6. 第一個電弧起到了預(yù)熱的作用，然而第二個電弧起到了正相關(guān)的作用（使得焊接接頭的冷卻速度下降），同時材料脆化的現(xiàn)象

33、也在減少甚至是避免了。</p><p>　　7. 提出的模型很容易被應(yīng)用到雙絲或者串聯(lián)式焊接模擬過程中去，同時它也可以被應(yīng)用于運輸天然氣管道的縱向方向上的焊接中出現(xiàn)的應(yīng)力以及脆斷的分析。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　這項工作的進行得益于Romanian National Authority for Scie

34、ntific Research, CNDI–UEFISCDI的支持，刊登在27/2012，項目編號：PN-II-PT-PCCA-2011-3.1-1057。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Rosenthal D., Mathematical theory of heat distribution during we

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