電阻點焊電極熱流耦合分析與對流換熱特性研究.pdf

1、電阻點焊電極主要承載著導(dǎo)電、散熱、施壓三大功能。在電阻點焊過程中，電極的溫度上升的很快，在高溫高壓作用下，電極很快就會磨損失效。電極磨損失效的快慢不僅會影響焊接質(zhì)量的可靠性和健壯性，而且將直接影響到轎車裝配焊接工藝的費用和生產(chǎn)效率。電極對流換熱作用是電極散熱的重要手段，電極冷卻不佳，將直接導(dǎo)致電極過早磨損，增加生產(chǎn)成本，進(jìn)而極大影響焊接裝配的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量?，F(xiàn)有的點焊電極研究主要集中在電極材料的改進(jìn)和替換方面，很少考慮電極的對流換熱

2、作用對電極磨損的影響，部分實驗研究表明冷卻流體流速，水冷管管徑和水冷管高度是影響電極對流換熱作用的主要因素。然而現(xiàn)有的研究中缺乏對電極對流換熱性能的綜合認(rèn)識和評價的數(shù)學(xué)模型，無法最大限度的發(fā)揮冷卻水的換熱能力。本文綜合考慮電極對流換熱的影響因素，開展基于熱流場耦合的電阻點焊電極對流換熱特性建模與優(yōu)化研究，旨在提高電極對流換熱性能和效果，延緩電極磨損失效的速度，降低轎車生產(chǎn)成本。主要研究工作如下： 1)電阻點焊電極對流換熱問題分析

3、在對電阻點焊工藝及電極水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成介紹的基礎(chǔ)上，將電極對流換熱分為流和熱兩個過程來展開對問題的分析。著重分析明確電極冷卻流體的流態(tài)和特性，剖析電阻點焊工藝的各個階段電極冷卻流體熱交換的情況；基于對電阻點焊過程中熱接觸、熱源和熱阻的描述，分析電極傳熱、散熱的途徑和過程，重點研究電極熱輸入的機(jī)理和組成，建立電極熱平衡方程。針對電極對流換熱問題，引入冷卻率和排熱率的概念，建立電極對流換熱特性和效果的評價指標(biāo)，并對影響電極對流換熱性能的具

4、體因素進(jìn)行了分析和歸納，為后續(xù)進(jìn)行建模優(yōu)化和實際案例分析的工作奠定基礎(chǔ)。 2)電極對流換熱過程仿真在分析了電極對流換熱性能影響因素的基礎(chǔ)上，通過對電極熱流場的直接耦合計算，實現(xiàn)電極對流換熱過程的一次性求解。借助于編制Gambit和Fluent的自動求解程序，建立有限元分析環(huán)境下電極對流換熱過程的數(shù)值仿真模型，并通過大量的計算，研究電極的冷卻流體特性和對流換熱特性，著重探討各類影響因素與電極對流換熱效果之間的關(guān)系，為后續(xù)進(jìn)行實驗建

5、模的工作提供重要的依據(jù)和手段。 3)電極對流換熱性能評價建模在前述分析的基礎(chǔ)上，確立以冷卻流體流速，水冷管管徑和水冷管高度為設(shè)計參數(shù)，以電極對流換熱性能評價指標(biāo)為設(shè)計目標(biāo)，建立8二因子水平實驗點，6軸點實驗點和1中心實驗點的實驗設(shè)計方案。根據(jù)實驗回歸分析的響應(yīng)面法和中心組合實驗設(shè)計法的基本規(guī)則，建立面向冷卻率的電極對流換熱性能評價的響應(yīng)面模型，并引入方差分析和F檢驗，驗證模型的顯著性。通過對響應(yīng)面模型的曲面圖和等高線圖分析，明確

6、電極對流換熱性能與設(shè)計參數(shù)之間的變化規(guī)律。 4)電極對流換熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化電極水冷管末端形式和水冷卻腔結(jié)構(gòu)形式影響冷卻流體的流場分布，導(dǎo)致冷卻壁面處邊界層的厚薄不同，進(jìn)而影響到電極與流體之間的熱交換效率。應(yīng)用已建立的電極熱流場耦合仿真模型和分析方法，研究電極結(jié)構(gòu)形式對電極對流換熱效果的影響關(guān)系，確定電極對流換熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計方案。根據(jù)電極對流換熱問題的實際需求，建立以電極冷卻率，生產(chǎn)率和冷卻能耗等為指標(biāo)的多目標(biāo)綜合優(yōu)化模型，

7、借助遺傳算法并行搜索和概率搜索的優(yōu)異特點，實現(xiàn)不同權(quán)重下最優(yōu)匹配變量的并行全局搜索，求得問題最優(yōu)解。 5)電阻點焊電極對流換熱案例分析及實驗驗證在實際的電阻點焊工藝條件下，輸入到電極的熱量是瞬時變化的。根據(jù)電極熱輸入機(jī)理和組成的分析結(jié)論，采用理論公式計算的方法獲取電極熱電接觸參數(shù)，并在已有點焊分析模型的基礎(chǔ)上，確定和分析電阻點焊電極瞬時熱量輸入的大小和規(guī)律。應(yīng)用本文提出的電極熱流場耦合的分析方法，研究實際點焊工藝條件下電極溫度特