CN107169167A - 一种对erw钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，内容包括：建立ANSYS程序库，根据ERW钢管焊接装置模型参数，建立ERW钢管焊接几何模型，建立ERW钢管焊接的物理环境库，确定求解类型；创建ERW钢管焊接的电磁环境，对整个焊管进行电磁分析得到热生成率；创建ERW钢管焊接的热环境，对整个焊管进行热分析输出温度；采用DO循环进行电阻加热过程的电磁‑热耦合计算，重复步骤3和步骤4进行电磁分析和热分析，输出稳态温度；建立DEFORM程序库，在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，建立力分析物理环境，对焊接平面进行力分析，最后完成对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真。
Description
技术领域
本发明涉及ERW钢管制造领域，尤其涉及一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法。
背景技术
高频直缝电阻焊管(Electric Resistance Welding，简称ERW)是电阻焊的一种形式，是将热轧板经过成型机成型后，使钢卷变形为圆滑的圆筒状管坯，当高频电流通过管坯的V形开口角负载回路时，由于其强烈的趋肤效应和邻近效应，迫使高频电流高度地集中在管坯加热边部，进而通过热能将焊接区迅速地加热达到焊接状态，在挤压辊挤压力的作用下，管坯熔化的两边缘熔合在一起，经冷却就达到焊接在一起的效果，形成钢管。
挤压量和加热温度之间的配合是否适当，将会最终影响焊缝接合面的强度和焊缝外观质量。通常的焊接过程中会出现以下情况：当要求外观质量时，往往出现焊接温度过低；当强调焊接强度时，通常就会出现焊接温度过高；或者焊接温度适当，挤压量控制不当等。一般，挤压量可以有一个适当的范围，当挤压量较大时，适当降低加热温度；当挤压量较小时，适当提高加热温度，这样可以确保焊接强度和焊缝形态达到较好的综合效果。
目前人们对高频焊接毛刺产生的机理还未完全清楚，也很少定性定量的研究各参数对毛刺形态的影响程度和影响规律，这就使得焊接工艺参数的调节缺乏详实的理论依据。在实际生产中，这些工艺参数的确定基本上都是靠前期费时费力的试验和人们以往总结的经验。
发明内容
本发明目的在于提供一种模拟更加贴近真实的对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法。
为实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：
一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，该方法包括以下步骤：
步骤1建立ANSYS程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后执行ANSYS程序库；
步骤2根据ERW钢管焊接装置模型参数，建立ERW钢管焊接几何模型，分别对带V型开口角的钢管、钢管的V形开口角截面、电极、导磁体和空气划分网格单元，建立ERW钢管焊接的物理环境库，确定求解类型；
步骤3创建ERW钢管焊接的电磁环境，将钢管的初始温度作为初始温度载荷加载在钢管上，在电极上施加高频电流并设置边界条件，根据温度值更新材料与电磁相关的A类物理参数，所述A类物理参数主要包括相对磁导率和电阻系数，根据创建的电磁环境对整个焊管进行电磁分析，得到热生成率；
步骤4创建ERW钢管焊接的热环境，在钢管上施加温度载荷与热生成率载荷，根据温度值更新材料与热相关的B类物理参数，所述B类物理参数主要包括热传导率、热辐射和热焓，根据创建的热环境对整个焊管进行热分析，若尚未到达设定时间步数，重新施加所述热生成率载荷与温度载荷进行热分析，直至计算结束，输出温度；若到达设定时间步数，直接输出温度；
步骤5采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算，重复步骤3和步骤4进行电磁分析和热分析，直至电磁-热耦合计算结束，输出稳态温度；
步骤6建立DEFORM程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后执行DEFORM程序库；
步骤7根据步骤2中建立的ERW钢管焊接几何模型，在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，建立力分析物理环境；
步骤8将在步骤5中采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算输出稳态温度提取作为稳态温度载荷载入平面焊接几何模型，根据温度值更新材料与热相关的C类物理参数，所述C类物理参数主要包括弹性模量、流动应力和摩擦系数，施加边界条件，根据实际生产设置焊接过程所需的挤压量，根据创建的力分析物理环境对焊接平面进行力分析，最后完成对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真。
进一步的，在步骤7中所述在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，在步骤2中所述建立ERW钢管焊接几何模型，对带V型开口角的钢管的V形开口角截面划分的网格单元两者划分的网格单元相同。
进一步的，在步骤5中采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算输出稳态温度；将稳态温度所对应的节点温度提取并保存到EXCEL中，再从该EXCEL中选择焊接平面的节点温度载入步骤8中DEFORM的模型。
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：
1、可以根据工厂实际生产过程中焊接温度与挤压量的大小，实现对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真；
2、可以修改焊管模型参数，针对不同规格的焊管进行焊接过程毛刺形态动态仿真，可进一步研究焊接毛刺形态与焊接质量之间的关系。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明方法在ANSYS中建立ERW钢管焊接几何模型的示意图；
图3是本发明方法在DEFORM中建立ERW钢管焊接几何模型及划分网格的示意图；
图4本发明方法得到的ERW钢管焊接过程毛刺形态的示意图。
图中标号：1-磁棒、2-钢管、3-电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步说明：
实施例1：
对规格为Φ219×8.94mm、材料为J55的焊管进行电阻加热，在ANSYS和DEFORM平台上，运用本发明方法实现对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真模拟。
本发明的一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，该模拟方法的流程图如图1所示，其内容包括如下步骤：
步骤1，建立ANSYS程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后启动执行ANSYS程序库；
步骤2，根据ERW钢管焊接装置模型参数，建立ERW钢管焊接几何模型，如图2所示。整个几何模型包括磁棒1、钢管2和2个电极3；电极3对称放置于钢管2V型开口角的两边上，磁棒1与钢管2同轴放在钢管2内部；分别对钢管2、钢管2的V形开口角截面、电极3、磁棒1和空气划分网格单元，由于高频电流的集肤效应与临近效应，在钢管2的焊缝V型开口角区域需要在划分网格时进行加密处理；建立ERW钢管焊接的物理环境库，确定求解类型；
步骤3，创建ERW钢管焊接的电磁环境，首先需要将钢管的初始温度作为初始温度载荷加载在钢管上，在电极上施加高频电流并设置边界条件，根据温度值更新材料与电磁相关的A类物理参数，主要包括相对磁导率和电阻系数，根据创建的电磁环境对整个钢管进行电磁分析，得到热生成率；
步骤4，创建ERW钢管焊接的热环境，在钢管上施加温度载荷与热生成率载荷，根据温度值更新材料与热相关的B类物理参数，主要包括热传导率、热辐射和热焓，根据创建的热环境对整个焊管进行热分析，若尚未到达设定时间步数，重新施加所述热生成率载荷与温度载荷进行热分析，直至计算结束，输出温度；若到达设定时间步数，直接输出温度；
步骤5，采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算，重复步骤3和步骤4进行电磁分析和热分析，直至电磁-热耦合计算结束，输出稳态温度；
步骤6，建立DEFORM程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后执行DEFORM程序库；
步骤7，根据步骤2中建立的ERW钢管焊接几何模型，在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，所划分的网格单元在步骤2中所述建立ERW钢管焊接几何模型，对带V型开口角的钢管的V形开口角截面划分的网格单元相同，建立力分析物理环境，如图3所示；
步骤8，将在步骤5中采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算输出稳态温度提取作为稳态温度载荷载入平面焊接几何模型，将稳态温度所对应的节点温度提取并保存到EXCEL中，再从该EXCEL中选择焊接平面的节点温度载入步骤8中DEFORM的模型；根据温度值更新材料与热相关的C类物理参数，主要包括弹性模量、流动应力和摩擦系数，施加边界条件，根据实际生产设置焊接过程所需的挤压量，根据创建的力分析物理环境对焊接平面进行力分析，最后完成对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真。图4所示为通过本发明方法得到的ERW钢管焊接过程毛刺形态。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的变形和改进，均属于本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤1 建立ANSYS程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后执行ANSYS程序库；
步骤2 根据ERW钢管焊接装置模型参数，建立ERW钢管焊接几何模型，分别对带V型开口角的钢管、钢管的V形开口角截面、电极、导磁体和空气划分网格单元，建立ERW钢管焊接的物理环境库，确定求解类型；
步骤3 创建ERW钢管焊接的电磁环境，将钢管的初始温度作为初始温度载荷加载在钢管上，在电极上施加高频电流并设置边界条件，根据温度值更新材料与电磁相关的A类物理参数，所述A类物理参数主要包括相对磁导率和电阻系数，根据创建的电磁环境对整个焊管进行电磁分析，得到热生成率；
步骤4 创建ERW钢管焊接的热环境，在钢管上施加温度载荷与热生成率载荷，根据温度值更新材料与热相关的B类物理参数，所述B类物理参数主要包括热传导率、热辐射和热焓，根据创建的热环境对整个焊管进行热分析，若尚未到达设定时间步数，重新施加所述热生成率载荷与温度载荷进行热分析，直至计算结束，输出温度；若到达设定时间步数，直接输出温度；
步骤5 采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算，重复步骤3和步骤4进行电磁分析和热分析，直至电磁-热耦合计算结束，输出稳态温度；
步骤6 建立DEFORM程序库，将系统的源文件放入自定义的文件夹中，开始后执行DEFORM程序库；
步骤7 根据步骤2中建立的ERW钢管焊接几何模型，在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，建立力分析物理环境；
步骤8 将在步骤5中采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算输出稳态温度提取作为稳态温度载荷载入平面焊接几何模型，根据温度值更新材料与热相关的C类物理参数，所述C类物理参数主要包括弹性模量、流动应力和摩擦系数，施加边界条件，根据实际生产设置焊接过程所需的挤压量，根据创建的力分析物理环境对焊接平面进行力分析，最后完成对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真。
2.根据权利要求1所述的一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，其特征在于：在步骤7中所述在DEFORM中建立平面焊接几何模型，对焊接平面划分网格单元，在步骤2中所述建立ERW钢管焊接几何模型，对带V型开口角的钢管的V形开口角截面划分的网格单元两者划分的网格单元相同。
3.根据权利要求1所述的一种对ERW钢管焊接过程毛刺形态动态仿真的模拟方法，其特征在于：在步骤5中采用DO循环进行电阻加热过程的电磁-热耦合计算输出稳态温度；将稳态温度所对应的节点温度提取并保存到EXCEL中，再从该EXCEL中选择焊接平面的节点温度载入步骤8中DEFORM的模型。
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