液壓支架立柱堆焊過(guò)程數(shù)值模擬

曾巍

摘 要：為預(yù)測(cè)液壓支架立柱的堆焊過(guò)程溫度場(chǎng)的分布情況，現(xiàn)以ANSYS軟件為平臺(tái)，運(yùn)用APDL編程及單元生死技術(shù)，在20 ℃ 環(huán)境下對(duì)簡(jiǎn)化的立柱模型進(jìn)行了焊接瞬態(tài)熱分析，模擬了符合堆焊工藝的熱源移動(dòng)過(guò)程，得到了立柱的焊接溫度場(chǎng)分布規(guī)律。結(jié)果表明，熱源周?chē)鷾囟瘸虱h(huán)狀分布，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱可以提高熱源中心溫度。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；堆焊；有限元分析

0 前言

在服役過(guò)程中，液壓支架上的立柱活塞桿表面容易被飛濺的煤矸石擊中，導(dǎo)致其表面發(fā)生破損，同時(shí)，由于采煤環(huán)境中具有較多含有Cl-和SO42-的腐蝕性介質(zhì)及硬顆粒，導(dǎo)致立柱內(nèi)表面和立柱活塞桿表面產(chǎn)生腐蝕和磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)共擅簾o(wú)法進(jìn)行而導(dǎo)致重大損失[1]。為提高活立柱表面的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能，一般要對(duì)立柱表面進(jìn)行表面改性處理，以提高其表面的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能，進(jìn)而提高立柱的服役壽命，降低煤炭采掘成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[2-4]。

堆焊作為一種可行性方法得到了應(yīng)用，本文利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)立柱表面堆焊金屬層的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，得到了不同時(shí)刻焊接溫度場(chǎng)分布情況。

1 實(shí)例分析

立柱二維圖如圖1所示，在20 ℃環(huán)境下對(duì)液壓支架立柱的堆焊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

液壓支架立柱尺寸如下：直徑99 mm、長(zhǎng)700 mm、球頭半徑52.5 mm、孔徑16 mm；在立柱表面堆焊一層厚5 mm的焊層。考慮到堆焊過(guò)程的連續(xù)性與穩(wěn)定性，建立的模型可簡(jiǎn)化為長(zhǎng)6 mm，半徑49.5 mm呈900的扇形。由于不存在復(fù)雜曲面，且映射網(wǎng)格對(duì)載荷的施加和收斂的控制是非常有利的，當(dāng)映射網(wǎng)格劃分不能實(shí)施時(shí)，才考慮選用自由網(wǎng)格進(jìn)行補(bǔ)充[5]。所以在劃分網(wǎng)格時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮映射六面體單元，為了獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)，焊縫處的單元網(wǎng)格最好控制在2 mm以下[6]。根據(jù)以上條件控制網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖2所示。

1.2 熱物理參數(shù)設(shè)定

做溫度場(chǎng)分析需要的參數(shù)：密度DENS、比熱容C、導(dǎo)熱系數(shù)KXX。以上參數(shù)隨溫度變化，焊接過(guò)程中立柱的溫度從室溫20 ℃上升至1500 ℃之上，然后冷卻至室溫，溫度變幅劇烈，所以參數(shù)改變也很大。查閱相關(guān)手冊(cè)得到幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)值，由外推法及插值得到參數(shù)—溫度曲線。為保證堆焊效果，焊區(qū)材料應(yīng)與立柱材料性質(zhì)相近，故焊區(qū)與立柱參數(shù)取值一致[7]。

2 模擬結(jié)果與分析

堆焊的數(shù)值模擬是一個(gè)瞬態(tài)分析的過(guò)程，在進(jìn)行瞬態(tài)分析之前須在極短的時(shí)間內(nèi)（t=0.01 s）給整個(gè)模型施加初始溫度，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，從而得到一個(gè)均勻分布的溫度場(chǎng)。之后利用APDL編程以循環(huán)的命令實(shí)現(xiàn)熱源移動(dòng)的過(guò)程。20 ℃ 環(huán)境下的溫度分布情況如圖3所示；距離熱源中心R=0、3、6、9 mm處得到的溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。

圖3為20 ℃ 環(huán)境下，不同時(shí)刻熱源周?chē)鷾囟确植紙D。由圖可見(jiàn)熱源周?chē)鷾囟瘸虱h(huán)狀分布，隨著熱源快速移動(dòng)環(huán)狀區(qū)域亦隨之變化，溫度帶分布均勻，符合堆焊實(shí)際情況。

圖4為溫度—時(shí)間曲線，由圖5可見(jiàn)四處測(cè)量點(diǎn)的溫度在極短時(shí)間內(nèi)上升，距離熱源越遠(yuǎn)溫度越低，冷卻時(shí)先急后緩，最后趨近于冷卻環(huán)境溫度。

3 結(jié)論

⑴ 基于ANSYS的單元生死技術(shù)很好的模擬了液壓支架立柱堆焊過(guò)程，得到的溫度場(chǎng)分布與實(shí)際情況相符，很好的反映了堆焊過(guò)程的溫度變化。

⑵ 通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)堆焊的質(zhì)量和性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，節(jié)約了試驗(yàn)成本，縮短了研發(fā)時(shí)間，對(duì)于堆焊工藝的優(yōu)化具有一定指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Q Shao， SLi， LZ Liu， et al. The influence on the corrosion of hydraulic support system ofchloride ions in the transmission medium and preventive measures[J]. Procedia Engineering， 2011，26：1214 -1219.

[2] 王志華.液壓支架立柱的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)[J].礦山機(jī)械，2011，23（2）：39-43.

[3] 王海波，王永強(qiáng)，張敏.堆焊在液壓支架立柱中缸中的應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2009，4：24-27.

[4] 呂紀(jì)武，劉寧，黃一聲.活塞桿堆焊后的回火溫度的研究[J].金屬加工，2009，10：29-31.