外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟

基于局部热平衡状态假设,建立外加高频纵向磁场作用下的钨极惰性气体保护焊的电弧稳态三维数值模型.通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的耦合求解,得到了电弧的温度场、流场和压力场等计算结果.结合法拉第电磁感应定律,考虑时变磁场的电磁感应效应,引入感应电场,解释了高频纵向磁场作用下的电弧收缩现象.结果表明,外加高频纵向磁场感应产生环向电场,形成环向电流,环向电流与外加纵向磁场作用产生径向洛伦兹力,导致电弧收缩.     

Numerical simulation for mold-filling of thin-walled aluminum alloy castings in traveling magnetic field

1 .IntrOdUction High一strength,light一weight and large一size alumimimalloy eastings are widely used in aviation,astronavigation,gUided missile and 50 on.With the develoPment of neweasting teehnology,it 15 imPortant     

微量活性组元氧对焊接熔池Marangoni对流和熔池形貌影响的数值模拟

针对SUS304不锈钢的定点钨极惰性气体保护焊过程,建立三维瞬态定点热源作用下的焊接熔池数学模型,系统研究了不同氧含量下的熔池温度场、速度场以及熔池形貌演变过程.结果表明:随着熔池中活性组元氧的增加,熔池内的对流模式经历了以外对流为主、内外对流共存到以内对流为主的演变过程,熔池形貌由浅且宽形、"勺"形变成深且窄形.熔池中微量氧直接影响熔池表面张力温度梯度系数,改变熔池表面Marangoni对流模式和熔池最终形貌.当氧含量低于80×10-6时,熔池表面以外向Marangoni对流为主,熔池形貌宽且浅;当氧含量超过120×10-6时,熔池表面以内向Marangoni对流为主,熔池形貌窄且深;当氧含量处于(80-120)×10-6之间时,熔池形貌为"勺"形,并且随时间的增加,熔池内外对流区域逐渐变小,内对流区域逐渐变大.定点联合保护焊实验结果表明,熔池形貌变化规律的模拟结果与实验结果吻合.     

抑制高速GMAW驼峰焊道的外加磁场数值分析

当熔化极气体保护焊的焊接速度高于一定临界值时,会出现驼峰焊道成形缺陷.为防止驼峰焊道的出现,通过外加磁场与熔池中的焊接电流相互作用,产生指向熔池前方的电磁力,抑制熔池中后向液体流的动量从而抑制驼峰的产生.通过建立焊前工件上外加磁场的三维模型,计算了工件上的外加电磁场分布.提出热-磁耦合分析方法,实现焊接过程中熔池内外加电磁场的数值计算.结果表明,高速焊过程中,外加磁场主要以横向磁场分布在熔池区;焊丝与磁极间的距离会显著改变熔池内外加横向磁场的分布.     

Comparison of measurements and simulation results in 300 mm CZ silicon crystal growth

A special thermal modeling tool, CrysVUn, which was developed by Crystal Growth Laboratory (CGL) of Fraunhofer Institute of Integrated Systems and Devices Technology in Erlangen of Germany, was used for numerical analysis of growth interface situation. The heat transportation, argon flow and melt convection have been considered. Cauchy's first and second laws of motion have been the governing partial equations for stress calculation. The measurement results and simulation results were compared and the interface shape and thermal stress distribution during 300 mm Czochralski (CZ) silicon crystal growth with different growth rates were predicted.     

活性元素氧对AA-TIG焊熔池传输行为影响的数值模拟

电弧辅助活性TIG焊(arc assisted activating TIG welding,AA-TIG焊),采用辅助电弧以Ar+O₂作为保护气体预熔待焊母材表面以形成氧化层,再进行常规TIG焊,可使熔深明显增加.文中结合AA-TIG焊熔池氧元素分布的实验研究,提出焊接熔池表面氧元素的两种不均匀分布模式,考虑浮力、电磁力和表面张力,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,模拟研究氧元素在熔池表面呈不均匀分布时,AA-TIG焊瞬态熔池中动量及能量的传输行为.假设熔池内部液态金属是湍流、不可压缩Newton流体,使用FLUENT RNG k-ε湍流模型进行处理.结果表明,当氧在熔池上表面呈非均匀分布,并且氧的不均匀分布模型为低氧模型时,熔池内部仍然以内对流流动为主.     

Finite element simulation of sherardising concentration field

ABSTRACT

Sherardising is a surface protection method for obtaining an Fe-Zn coating on a steel surface by thermal diffusion. This paper proposes a model to study the sherardising diffusion process of low carbon steel. The diffusion mathematical model of the zinc coating element is established by the finite element method, which simulates the changes of zinc concentration field with temperature and time in the sherardising process. In the experimental work the sherardised samples were prepared for 2, 6 and 10?h at 375°C and 2, 6 and 8?h at 405°C and 420°C. Each phase’s thickness and the zinc concentration of the sherardising layer were measured by scanning electron microscopy and energy dispersive spectrometry respectively. The results show that the accuracy of the finite element method is verified by the consistency between the simulation results and the experimental results. This model can effectively guide the sherardising process to achieve optimum results.     

外水套对电磁软接触结晶器内部磁场影响的模拟研究

通过有限元法三维数值模拟,研究了电磁软接触结晶器口部外水套对圆坯电磁软接触结晶器内部磁场的影响规律.结果表明,对于上通体切缝结晶器而言,结晶器口部外水套对其内部磁场分布的影响明显;随着切缝初始位置的下移,外水套对结晶器内部磁场的影响越来越小.当切缝的初始位置保持不变时,外水套的影响作用随着感应线圈内电流的增大而增大.     

Numerical simulation of solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with stirring magnetic field

In order to study the effect of the stirring flow on the grain diameter and solute concentration of hollow billet, the couple model of the two-phase solidification and electromagnetic field was built to simulate the solidification process of Sn-3.5%Pb hollow billet with the traveling magnetic field and rotating magnetic field. The effects of different kinds of flows on the temperature field, concentration field and grain diameter of molten metal during solidification were analysed. The results show that, there are different flow patterns in the molten metal induced by the traveling magnetic field and rotating magnetic field. Both flows can refine the grains in the hollow billet because of change of the temperature gradient and cooling rate of molten metal. The bigger the stirring velocity is, the smaller the grain diameter. Both flows can result in the macro-segregation in the hollow billet because of the non-homogeneous flows. The bigger the stirring velocity, the more serious the macro-segregation of the hollow billet. So, the stirring intensity should be controlled to acquire the high quality hollow billet.     

Effects of argon gas flow rate and guide shell on oxygen concentration in Czochralski silicon growth

φ200 mm silicon single crystals were grown in the φ450 mm hot zone of a Czochralski （CZ） furnace. By modifying the pattern and the velocity of the argon flow, the silicon single crystals with different oxygen concentrations were obtained. Through numerical simulation, the velocity of the argon gas flow was plotted for the first time. The experiment resuits were analyzed and the optimum condition of the argon flow with the lowest oxygen concentration was obtained.     

电磁铆接电磁场数值模拟

为了分析电磁铆接电磁场的变化规律,采用数值模拟方法,以ANSYS软件为平台建立了电压激励的电磁场耦合模型.通过电阻分流器测最线圈放电电流,验证建立耦合模型的正确性.研究结果表明:驱动片主要受轴向磁场力作用,沿驱动片径向分布不均匀,在驱动片半径一半附近轴向磁场力最大;磁场力沿驱动片厚度方向呈梯度分布.在线圈与驱动片之间,磁场主要沿径向分布,渗入驱动片的磁场呈衰减分布.     

渗氮炉内流速场的数值模拟

为了研究渗氮炉内气体的分布状态,建立了三维湍流数学模型,应用计算流体动力学(CFD)的方法分别得到了渗氮炉空炉和加入工件时的气体速度分布.该渗氮炉空炉时工作区域内气体速度比较均匀,工件加入后渗氮炉内流速场变化很大,因此对于不同形状和炉内不同位置的工件,需要分别模拟计算各自的速度场.同时用数字涡轮风速仪对炉内的气体流速进行了测量,测量结果与模拟计算结果基本吻合,所以该数值模拟方法可以作为热处理工艺和热处理炉型优化设计预测的依据.     

Numerical analysis and simulation of Czochralski growth processes for large diameter silicon crystals

Numerical analysis and simulation have been an effective means to develop the advanced growth technology and to control the defects type, size and density for silicon crystals of 300 mm and beyond. In the present paper, numerical analysis of the melt flow in the Czochralski (CZ) crystal growth configuration, the three dimensional (3D) modeling, the simulation of melt flow under the magnetic field, the inverse modeling and the time-dependent simulation are reviewed. Finally, comparison of numerical analysis with experimental measurements is discussed.     

废石−风砂高浓度料浆管道输送数值模拟及管输阻力新模型

为研究废石?风砂高浓度充填料浆自流输送管道输送特性,将矿山实际充填管路进行还原,应用FLUENT软件进行输送模拟研究。结果表明:充填料浆在管道的管径方向有明显的速度梯度;随料浆流速的增大,料浆的输送沿程阻力损失基本呈线性增大;质量浓度对管输阻力的影响非常大,在充填料浆质量浓度相差2%左右时,管道单位长度的阻力损失会相差20%~30%。通过对不同骨料比的充填料浆进行数值模拟,可知废石风砂质量比为6:4的浆体稳定性和流动性相对较好,更有利于管道输送。建立了管输阻力新模型,并通过工业试验对模型进行检验,验证了新的管输阻力模型的可靠性,研究结果为该矿选取充填系统的运行参数提供了重要依据。     

稳恒磁场对多晶硅定向凝固结晶阶段流速场的影响

采用有限元Comsol 4.3a软件对多晶硅定向凝固结晶阶段3个时期（前期、中期、后期）坩埚内硅熔体的流速场进行数值模拟,并与不同磁场强度下的硅熔体流速场进行了对比分析。结果表明,硅熔体的平均流速随着结晶时间的延长而减小,从初期的38 μm/s减小到后期的16 μm/s,下降了57.89%。施加磁场后,硅熔体的平均流速随着磁场强度的增大而减小：结晶初期、中期和后期,硅熔体的平均流速分别减小了42.11%、58.59%和45.16%。结晶阶段3个时期分别施加磁场强度为0.6、0.4、0.2 T时,磁场对硅熔体的对流抑制作用最为明显。     

埋弧焊磁控电弧焊缝跟踪系统中的横向磁场ANSYS模拟

针对埋弧焊磁控电弧焊缝跟踪系统中磁控电弧传感器产生的外加横向磁场,文中采用有限元分析方法建立了由磁控电弧传感器产生的横向磁场计算模型.应用ANSYS软件对横向磁场进行了模拟;对该横向磁场的纵截面分布、磁流密度矢量的分布规律进行了仿真;并对模拟结果的偏差进行了分析.实际测试结果说明了磁感应强度模拟值与实测值的一致性.针对励磁电流对焊接电弧运动状态的影响进行了实际焊接试验.结果表明,焊接电弧随励磁电流的增大而摆动,且励磁电流越大电弧摆动幅度也越大.     

电火花堆焊表面残余应力场数值模拟

对电火花堆焊热过程和应力变化过程进行仿真研究,为优化堆焊参数提供快捷可靠的依据。通过研究电容击穿空气的放电特性模型,提出新型电火花堆焊能量来源于电容空气放电的火花产生阶段。建立了三个不同电压参数下的单脉冲温度场模型。利用ANSYS软件对单脉冲放电时电极表面的温度场和应力场进行仿真研究。对多脉冲条件下基体表面应力状态进行仿真研究并与单脉冲条件下的应力场进行对比分析。     

钢管径向摩擦焊温度场数值模拟

采用ABAQUS有限元软件,基于传热学及弹塑性力学有限元法,建立了径向摩擦焊接过程的二维轴对称、热力耦合及非耦合有限元计算模型.采用网格重划分技术模拟了径向摩擦焊接过程中焊接接头的温度场分布.结果表明,模拟出的接头飞边形貌与实际结果吻合良好.在二级摩擦阶段,摩擦界面由摩擦生成的热量与飞边形成带走的热量以及热传导散失的热量达到动态平衡,界面温度稳定在1320℃以下.在三级摩擦阶段,由于高温金属层被迅速挤出,界面温度迅速下降.通过分析金相组织,得出接头热循环过程.接头温度分布的模拟结果与实际结果吻合良好.     

工业硅真空感应精炼过程数值模拟

用Multi-physics Comsol软件对工业硅真空感应精炼过程的温度场进行了二维数值模拟和分析,定量研究了精炼过程熔池中温度场动态分布特征.结果表明:精炼过程中熔池中存在不均匀的温度场,温度梯度随时间和空间位置发生变化,在保温阶段熔池底部和表面温差最大值为382 K.精炼过程中硅料熔化前后的温度分布明显不同,硅料熔化后电磁搅拌形成的热流场和熔池表面向外的热辐射对精炼过程熔池中温度分布产生了重要影响.     

卧式转炉炉衬温度场的数值模拟

为了研究转炉炉衬风口区和炉口区易于受损的成因 ,通过数值模拟的方法建立了炉衬在吹炼的不同时期的温度场数学模型 ,并对之进行了分析。研究结果表明 :在风口区和炉口区 ,从内壁到外壁的温度分布极不均匀 ,尤其是在刚加入铜锍时风口区和炉口区内壁的温度梯度最大 ;炉衬温度的剧烈变化是导致风口区和炉口区炉衬容易损坏的重要原因。