【正文】 能直接轉(zhuǎn)化的三維熱單元有 SOLID70、 SOLID8 SOLI。 而在圓管封閉環(huán)形焊縫的焊接分析中，單元確定還要考慮到以下幾個(gè)因素：首先研究對(duì)象為薄壁圓管就不得不考慮壁厚方向變化的情況，單元必須為三維實(shí)體單元；其次要能進(jìn)行熱分析；最后所用單元還應(yīng)能夠進(jìn)行瞬態(tài)非線性分析。線性單元和非線性單元之間明顯的差別是線性單元只存在“中間節(jié)點(diǎn)”，而高階單元不存在“中間節(jié)點(diǎn)”。單元類型決定了單元的自由度以及單元是在二維空間還是三維空間。作為一個(gè)整體，單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。 在本課題中，溫度場(chǎng)分析時(shí)單元的自由度是溫度，而在計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)時(shí)其自由度為位移。整個(gè)實(shí)體模型如下圖 所示。同時(shí)還得創(chuàng)建焊縫熱影響區(qū)方便后面的網(wǎng)格劃分，本文采取布爾操作中的 divide，將兩個(gè)圓筒用工作平面逐個(gè)分出熱影響區(qū)。這樣就將焊縫離散成了 40 份，如圖 所示。然后選擇 extrudeareasabout axis， 拾取剛才創(chuàng)建的面和兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)置延伸選項(xiàng)：旋轉(zhuǎn) 360176。兩個(gè)圓管的模型如圖 所示。使用自頂向下方法建立兩個(gè)圓管的模型，而對(duì)于焊縫，考慮到后面的模擬分析需要將焊縫劃分成段，因此采用自底向上的建模方式創(chuàng)建。同時(shí)為了使模擬具有真實(shí)性，還需要考慮焊接熱影響區(qū)，對(duì)于熱影響區(qū)需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，這在實(shí)體建模中需要反映出來，通過初步模擬以及查閱相關(guān)資料，得出兩管的焊接熱影響區(qū)為 3mm 寬。本文預(yù)留的間隙為 1mm。由于 ANSYS 不能在 PREP7 外生成單元，因此必須 在建模時(shí)就作出坡口。在 ANSYS 中，如果分析對(duì)象呈對(duì)稱的幾何形狀，并且所受載荷也對(duì)稱，則可 考 慮只計(jì)算模型的一部分，并且在對(duì)稱點(diǎn)、線或面上施加對(duì)稱邊界條件。 ANSYS 還包括了一些附加的功能，諸如圓弧構(gòu)造、文獻(xiàn)翻譯 切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。當(dāng)實(shí)體模型較為復(fù)雜時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的一系列布爾操作可以在很大程度上 減少建模的工作量。不管是使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來進(jìn)行數(shù)據(jù)集的組合，從而構(gòu)造出一個(gè)實(shí)體模型 。用自底向上的方法進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，往往是首先通過建立組成單元的關(guān)鍵點(diǎn)來 構(gòu)造最終需要的有限元網(wǎng)格模型，即 :用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。用戶使用建立這些高級(jí)圖元的方法直接構(gòu)造幾何模型，如二維的三角形、矩形以及三維的球、錐、柱、正方體等。 幾何模型的建立 ANSYS 程序提供了兩種實(shí)體建模方法 ， 即自頂向下的建模方法和自底向上的建模方法。在 ANSYS 中，建立封閉環(huán)形 對(duì)接 焊縫的三維有限元模型包括確定幾何模型、材料特性參數(shù)、單元類型、網(wǎng)格劃分、生死單元技術(shù)以及封閉環(huán)形焊縫焊接的熱源模型等。其中，建立一個(gè)正確的有限元模型是非常重要的一環(huán)，一般來講，有限元模擬原則上允許考慮幾乎任何復(fù)雜的情況，但是實(shí)際上，由于資源和經(jīng)濟(jì)上的限制，要求在建模時(shí)重點(diǎn)考慮那些對(duì)結(jié)果有直接或重要影響的因素，適當(dāng)考慮甚至忽略那些對(duì)計(jì)算結(jié)果只有間接或是次要影響的因素。然后根據(jù)不銹鋼與紫銅焊接特 點(diǎn)，制定了薄壁不銹鋼與紫銅焊接工藝參數(shù)以及焊接操作方法，為后文的焊接有限元模擬奠定基礎(chǔ)。同時(shí)介紹了太陽能熱水系統(tǒng)中金屬連接管成型工藝。 本章小結(jié) 本章介紹了太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理，了解到其連接管路在整個(gè)系統(tǒng)中有重要的作用，其管路需要滿足太陽能熱水系統(tǒng)使用環(huán)境的各種條件，要具有良好的耐高溫、耐冷熱循環(huán)、耐壓以及連接密封性好等特點(diǎn)。采用連續(xù)送絲方式，不能將 不銹鋼與紫銅直接熔合。為克服紫銅導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接熱量易散失，同時(shí)為了減少液態(tài)銅對(duì)不銹鋼的滲透深度，降低滲透裂紋傾向， 應(yīng)先在紫銅管一側(cè)引弧，引弧后將電弧移到焊縫處，壓低電弧。將不銹鋼與紫銅點(diǎn)焊牢固后，按上述工藝參數(shù)焊接，并在管內(nèi)充氬氣保護(hù)，防止內(nèi)壁氧化。焊前用不銹鋼絲輪徹底清理接頭處 30mm 范圍內(nèi)油污、水分、氧化膜及其他雜質(zhì)；用砂紙清除焊絲氧化皮，直至露出金屬光澤；固定兩圓管的端面。由于為圓管對(duì)接焊，故焊縫形狀為環(huán)形對(duì)接焊縫。 薄壁不銹鋼與紫銅焊接操作 （ 1）坡口形式及焊縫形狀。 ⑦ 夾鎢或氧化膜夾層。氣孔的位置可能在焊縫表面，也可能在焊縫內(nèi)部。其產(chǎn)生原因：焊件或焊絲中碳、硫、磷含量高；定位焊時(shí)點(diǎn)距太大，焊點(diǎn)分布不當(dāng)；收尾處應(yīng)力集中；坡口處有雜質(zhì)、臟物或水分等；冷卻速度過快；結(jié)構(gòu)剛性大。 ⑤ 把存在于焊縫或熱影響區(qū)中開裂而形成的縫隙稱為焊接裂紋。 ③ 焊接時(shí)，接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象叫未焊透，其產(chǎn)生原因是坡口間隙太小，焊件表面清理不徹底以及焊接電流過小。 ② 在焊接過程中，熔化金屬自坡口背面流出形成穿孔的缺陷，稱為燒穿。焊縫成形差會(huì)影響焊接接頭的強(qiáng)度，并造成應(yīng)力集中等危害。鎢極氬弧焊常見的缺陷有焊縫成形不良、燒穿、未焊透、咬邊、氣孔和裂紋等。 同時(shí)根據(jù)表 （各種電流 TIG 焊特點(diǎn)），選擇直流正接法焊接。表 為薄壁不銹鋼與薄壁紫銅管焊接參數(shù)，由本課題查閱焊接手冊(cè)得到。 （ 5） 焊接參數(shù)。由于純鎢要求焊機(jī)具有較高的空載電壓、在長(zhǎng)時(shí)間工作中極易燒損以及釷鎢極的粉塵具有放射性，因此本文選擇直徑為 2mm 的鈰鎢極，鈰鎢極無放射性，弧束細(xì)長(zhǎng)、電流密度高、熱量集中、燒損率低、使用壽命長(zhǎng)、易引弧且電弧穩(wěn)定，是一種較為理想的電極材料。 ② 為保證焊接質(zhì)量，選擇了純度為 %的氬氣。 ① 焊絲的選擇。根據(jù)前文對(duì)鎢極氬弧焊的介紹以及查閱相關(guān)研究論文，本課題選用氬弧焊中常用的鎢極氬弧焊，即 TIG 焊。 （ 3）焊接方法。另外，在焊縫與銅的母材一側(cè)，由于晶粒粗大，熔池脫氧不足，低熔點(diǎn)共晶 會(huì)在粗大柱狀晶端部的交界處析集，從而使焊縫的強(qiáng)度和塑性顯著降低。近 焊 縫區(qū)不銹鋼 一 側(cè)易產(chǎn)生滲透裂紋，其原因是由液態(tài)銅對(duì)鋼有滲透作用和拉應(yīng)力造成的。 如前文第一章所述， 不銹鋼及紫銅中含有合金元素 (Ni, Si, V) 和雜質(zhì) (O, S, P)， 在焊接過程中易形成各種低熔點(diǎn)共晶體和脆性化合物，嚴(yán)重削弱了金屬在高溫時(shí)的晶間結(jié)合力。 表 、表 分別為 TP2 紫銅和 0Cr18Ni9 不銹鋼 的化學(xué)成分表。不銹鋼中常用型號(hào)為 304，屬于食品級(jí)不銹鋼，其常常被用在太陽能熱水器中， GB 牌號(hào)為 0Cr18Ni9。由于 TP2 磷脫氧銅 把熔化銅中產(chǎn)生的氧氣用親氧性的磷 (P)脫氧，使其氧含量在 100PPm 以下，從而提高其延展性、耐蝕性、熱傳導(dǎo)性、抽拉加工性，在高溫中也不發(fā)生氫脆現(xiàn)象。不銹鋼按成分有 Cr 系（ 400系列）、 Cr－ Ni 系（ 300 系列）、 Cr－ Mn－ Ni（ 200 系列）、耐熱鉻合金鋼（ 500 系列）及析出硬化系（ 600 系列）。 表 各種電流 TIG 焊特點(diǎn) 電流種類 直流 交流 正接 反接 兩極熱量比例 焊件 70% 鎢極 30% 焊件 30% 鎢極 70% 焊件 50% 鎢極 50% 熔深特點(diǎn) 深、窄 淺、寬 中等 鎢極許用電流 最大 例如鎢極 ， 400A 小 例如鎢極 ， 120A 較大 例如鎢極 ， 225A 陰極清理作用 無 有 有 適用材料 氬弧焊：除鋁、鎂合金、鋁青銅外其余金屬 氦弧焊：幾乎所有金屬 一般不采用 鋁、鎂合金、鋁青銅等 薄壁不銹鋼 和紫銅管焊接工藝及操作 不銹鋼與紫銅焊接工藝 （ 1）焊件牌號(hào)。 （ 5） 電弧溫度高、熱輸入小、速度快、熱影響面小 、焊接變形小。 （ 3） 熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進(jìn)行各種位置的焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的理想方法。 鎢極氬弧焊具有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 氬氣能有效地隔絕周圍空氣，本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)，施焊過程中電弧還有自動(dòng)清除熔池表面氧化膜的作用，因此，可成功地焊接易氧化、氮化、化學(xué)活潑性強(qiáng)的有色金屬、不銹鋼和各種合金。 在焊接過程中， 鎢極被夾持電極夾上，從 TIG 焊焊槍噴嘴中伸出一定的長(zhǎng)度，在鎢極端部與被焊接母材間產(chǎn)生電弧對(duì)母材進(jìn)行焊接，在鎢極的周圍通過噴嘴送進(jìn)保護(hù)氣體，保護(hù)鎢極、電弧及熔池，使其免受大氣的侵害。 對(duì)于非熔化極氬弧焊最常見的是 鎢極氬弧焊 。非熔化極氬弧焊是電弧在非熔化極（通常是鎢極）和工件之間燃燒，在焊接電弧周圍流過一種不和金屬起化學(xué)反應(yīng)的惰性氣體（常用氬氣），形成一個(gè)保護(hù)氣罩，使鎢極端部、電弧和熔池及鄰近熱影響區(qū)的高溫金屬不與空氣接觸，能防止氧化和吸收有害氣體。 氬弧焊按照電極的不同分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊兩種。同時(shí)，由于氬氣是一種惰性氣體，既不與金屬起化學(xué)反應(yīng)，也不溶解于液體金屬，從而母材中的合金元素不會(huì)燒損，焊縫不易產(chǎn)生氣孔。 氬弧焊是以氬氣作為保護(hù)氣體的 一種電弧焊方法。焊接連接的方法應(yīng)用最廣，對(duì)于不銹鋼與紫銅焊接目前的方法有熔焊，如 CO2 氣體保護(hù)焊、氬弧焊、激光焊；壓焊，如摩擦焊、爆炸焊、真空擴(kuò)散焊；釬焊，如火焰釬焊、中頻釬焊、氬弧釬焊?？▔菏竭B接是一種較先進(jìn)的施工方式，操作也較簡(jiǎn)單，但需配備專用且規(guī)格齊全的卡壓工具 (卡壓鉗 )將管件壓接成一體?？ㄌ资竭B接是一種較為簡(jiǎn)便的施工方式，操作簡(jiǎn)單，掌握方便，是施工中常用的連接方法。本課題研究的 正是這兩種管。詳細(xì)內(nèi)容前文已經(jīng)介紹，這里主要討論金屬管的種類和連接方式。由于太陽能熱水器的特殊使用環(huán)境：上下水管路既要走冷水又要走熱水，這就要求太陽能熱水器管路系統(tǒng)既要有良好的耐溫耐壓性能，又要有良好的抗冷熱水沖擊的抗疲勞性能。和簡(jiǎn)單的太陽能熱水器相比，太陽能不僅需要關(guān)注吸收太陽能、制備熱水的過程，還要考慮和建筑室內(nèi)水系統(tǒng)結(jié)合，通過合理的控制方式和管路設(shè)計(jì)，將熱水輸送到各個(gè)用水點(diǎn)，并將回水輸送回集熱器繼續(xù)加熱的過程。 （ 3）供應(yīng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)能量的傳遞，即將制備的熱水輸送到用戶的管道系統(tǒng)。平面鏡把陽光集中反射在拋物面鏡上，拋物面鏡使其聚焦。按聚光鏡構(gòu)造有“菲涅爾”透鏡、拋物面鏡和定日鏡。用真空管集熱器部件組成的熱水器即為真空管熱水器。當(dāng)平板型太陽能集熱工作器時(shí)，太陽輻射穿過透明蓋板后，投射在吸熱板上，被吸熱板吸收并轉(zhuǎn)化成熱能，然后傳遞給吸熱板內(nèi)的傳熱工質(zhì)，使傳熱工質(zhì)的溫度升高，作為集熱器的 有用能量輸出；與此同時(shí)，溫度升高后的吸熱板不可避免的要通過傳導(dǎo)、 對(duì)流和輻射等方式向四周散熱，成為集熱器的熱量損失。 平板型太陽能集熱器主要有吸熱板、透明蓋板、隔熱層和外殼等幾部分組成。太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，可以廣泛的用于太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽房、太陽能熱電站、太陽能海水淡化、太陽能鍋爐改造等方面。 圖 太陽能熱水系統(tǒng) 一個(gè)完整的太陽能熱水系統(tǒng)由集熱器、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和供應(yīng)系統(tǒng)三部分組成。太陽光透過玻璃進(jìn)入密封的集熱器內(nèi)，大部分能量被集熱器內(nèi)的吸收層吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動(dòng)流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動(dòng)流入吸熱體繼續(xù)獲得能量，周而復(fù)始，水箱內(nèi)的冷水逐漸 被加熱。所謂溫室原理，就是指由于對(duì)流、輻射損失減少，使熱量在某一空間內(nèi)聚積，溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。前文已經(jīng)對(duì)太陽能熱水系統(tǒng) 給出了 大致的介紹，這里詳細(xì)闡述下太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理，同時(shí)確定薄壁不銹鋼與薄壁紫銅焊接工藝。事實(shí)證明本課題對(duì)傳 統(tǒng)熱源方案的簡(jiǎn)化是可行的。這個(gè)方案借用了蔡志鵬教授的分段移動(dòng)熱源模型將焊縫區(qū)分成 40 段，同時(shí)參考了內(nèi)蒙古科技大學(xué)的一篇碩士論文，不使用熱流密度函數(shù)施加熱量，而是直接在單元節(jié)點(diǎn)上施加一個(gè)溫度 1600℃ ，再結(jié)合生死單元技術(shù)和“ DO— ENDDO”循環(huán)語句完成整個(gè)焊接過程。由于這些熱源的分布是服從一定的函數(shù)，每次求解都需要確定出其熱 流密度函數(shù)，在模擬中編程的難度很大，對(duì)于并未熟練掌握ANSYS 命令流的操作者來說，無疑是個(gè)很大的難題?；诖耍疚膶?duì)薄壁不銹鋼與薄壁紫銅氬弧焊進(jìn)行有限元模擬，根據(jù)模擬出的焊件的溫度場(chǎng)和焊后變形，并參照太陽能熱水管選用標(biāo)準(zhǔn)，分析 1mm 薄壁管件焊后質(zhì)量能否滿足要求。 ② 由于本文研究的不銹鋼管和紫銅管的薄壁均只有 1mm，屬于薄壁管件。此時(shí)， 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)便展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前根據(jù)理論分析已能預(yù)測(cè)大部 分缺陷，但研究不能停留在理論上，需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。 （ 2） 本 課題研究意義 ① 太陽能熱水系統(tǒng)中用到不銹鋼與紫銅氬弧焊接。 本 課題研究?jī)?nèi)容及意義 本課題擬對(duì)壁厚均 的不銹鋼與紫銅通過氬弧焊成形的焊接過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析其溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，為獲得焊接質(zhì)量高、可靠性好、焊接變形小的連接件奠定技術(shù)基礎(chǔ)。 ANSYS 的結(jié)果在導(dǎo)入一些如 Origin 等常用的數(shù)據(jù)分析軟件時(shí)具有良好的可兼容性。ANSYS 后處理器 POST1 中可以很方便地將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行彩色等值、矢量圖和梯度等多種直觀顯示。 ANSYS 提供兩種后處理方式： POST1(General Postproc)可以對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步 (時(shí)間點(diǎn) )的結(jié)果進(jìn)行后處理，也可顯示整個(gè)時(shí)間歷程中的結(jié)果變化狀態(tài)， POST26(TimeHist Postpro)可以對(duì)模型中特定節(jié)點(diǎn)在所有載荷步 (整個(gè)瞬態(tài)過程 )的結(jié)果進(jìn)行后處理，即結(jié)果隨時(shí)間變化的曲線圖等。 （ 2）模型建好后退出 PREP7，進(jìn)入 SOLU 中進(jìn)行載荷加載和模型的求解。因此，好的模型是正確網(wǎng)格劃分的前提，同時(shí)也是計(jì)算成功的保證。本文包括了二維板單元模型、殼單元模型及三維實(shí)體模型。 ANSYS 功 能非常強(qiáng)大，主要有以下幾種，其它的不一一列出： （ 1）直接在 ANSYS 系統(tǒng)里建立模型進(jìn)行計(jì)算