飞轮焊接温度场数值模拟研究

张 可，武登云，于国庆

（北京控制工程研究所，北京100190）

飞轮焊接温度场数值模拟研究

张 可，武登云，于国庆

（北京控制工程研究所，北京100190）

密封焊接是飞轮装配的关键工序，为了保证密封焊接的质量，需要确定焊接过程中飞轮的温度场分布情况.对某类型飞轮的焊接温度场进行了数值模拟，并将计算结果与试验测试数据进行对比和分析，结果表明：数值模拟与测试结果相吻合，有限元分析模型反映了飞轮在密封焊接过程中的温度场分布情况.

飞轮；焊接温度场；有限元分析

飞轮是目前高精度、长寿命三轴姿态控制稳定卫星必须采用的一种执行部件，它利用卫星角动量守恒原理，通过对飞轮加速、减速或角动量矢量方向的改变来实现对卫星姿态的控制.为保证飞轮在规定的真空条件下高速运转，需对其壳体组件进行密封处理.密封处理通常采用焊接工艺，在此过程中，既要对飞轮的壳体组件实施可靠密封，又要保证焊接引起的温度升高不会对已装入产品内的零部件性能造成损伤.因此，确定焊接过程中飞轮的温度场分布是保证飞轮密封焊接质量的关键之一.

本文对某类型飞轮焊接过程中的温度场分布情况进行了数值模拟，并与实际测量数据进行对比分析，为确定合理的飞轮密封工艺奠定基础.

1 焊接温度场的数值模拟

1.1 焊接方案

飞轮密封焊接采用恒温热源，密封焊接设备由焊头、温控系统、驱动电机和支撑装置（左、右卡盘等）4部分组成.焊接过程中，温控系统保证焊头温度恒定，飞轮通过左、右卡盘夹紧，电机驱动飞轮旋转焊接.

1.2 有限元分析模型

飞轮焊接温度场数值模拟利用有限元分析软件完成.考虑到焊接过程中焊接工装和飞轮密封焊接设备的左、右卡盘对飞轮接触传热的影响，计算模型包含待密封飞轮、焊带、焊接工装和左、右卡盘4部分.

焊接过程中，温度分布随时间和空间急剧变化，温度梯度很大，因此在对模型进行网格划分时，焊接部位及其附近的部位用加密的网格，远离焊接部位的区域温度分布梯度变化较小，采用相对稀疏的网格［1-4］.划分网格后的有限元分析模型如图1所示.

1.3 载荷和边界条件

飞轮在焊接过程中通过传导、对流和辐射将热量传递给周围介质.由于焊接过程中，高温区域的面积相对较小，飞轮整体温度较低，所以在计算中忽略影响较小的辐射换热，仅考虑传导和对流换热［5-6］.定义飞轮初始温度场为22℃的均匀温度场，环境温度也为22℃.

在焊接过程中，飞轮匀速旋转，焊头自动跟踪飞轮焊接表面，飞轮受热位置不断变化.为了真实的模拟飞轮在焊接过程中的受载情况（主要是热载荷），需要合理建立焊接热源模型.根据飞轮密封处理的焊接方式，可以将焊接热量以内部热源的形式加载，并假定热量均匀施加在焊带上.

飞轮计算模型复杂，而且焊接时间较长.焊接过程的有限元模拟如果采用移动热源，为了精确地描述在不同时刻热源的移动情况，需要划分很细的时间步，这种计算量大的难以承受.为此，本文采用分段移动热源模型来模拟飞轮焊接的实际过程.分段移动热源模型是将一段焊接长度内的移动热源等效为作用一定时间的带状热源来处理［7-8］.具体实施方案为：沿焊接方向将焊带均分成n段，在每段焊带上顺次施加等效带状热源，每段加载后进行计算；当进行到下一段加载计算时，删除上一段的带状热源定义，并以上一次加载计算的温度场作为下一段加载的初始温度场.

图1 有限元分析模型

1.4 计算结果及分析

根据1.3节所述的施加热载荷和边界条件，计算整个焊接过程中飞轮的温度场变化情况.图2～4是不同时间段的温度场分布图，其中图2～3为焊接过程的温度场分布，图4为冷却过程的温度场分布.从图中可以看出：随着热源的移动，飞轮上各点的温度随时间而变化，整体温度场跟随热源移动，最高温度出现在热源作用的焊接区域；焊接工装和左、右卡盘进行的表面处理导致其与飞轮接触面的导热系数成倍降低，焊接结束时两者温度都有所升高，但温升不大；焊接结束后，飞轮进入冷却阶段，飞轮温度下降很快，等温线的范围不断扩大，最终各点温度逐渐趋于室温.

2 焊接温度场的试验验证

为验证上述计算模型的合理性和计算结果的准确性，对飞轮密封焊接过程中的温度场进行实际测试.由于条件的限制，焊接温度场试验测试中使用的飞轮为工艺飞轮，与真实飞轮相比缺少支撑轴、电机组件和轮体组件.

2.1 测试方法

焊接温度场测试试验利用热敏电阻测量工艺飞轮不同部位的温度，利用34970A多通道数字万用表采集热敏电阻的阻值，工控机完成对测试数据的实时记录.

温度场测试试验严格按照焊接方案进行，测试了焊接过程中10个部位热敏电阻的阻值变化情况.

图2 焊接过程中的温度场分布

图3 焊接结束时的温度场分布（包含左、右卡盘）

图4 焊接结束160 s后的温度场分布（包含左、右卡盘）

2.2 测试与计算结果对比分析

对测试数据进行处理，得到飞轮密封焊接过程中10个不同位置随时间变化的温度曲线，并与理论温度曲线进行对比分析.

1＃、2＃、3＃热敏电阻粘贴在飞轮的密封盖上，如图5所示。图6和图7分别为这3个位置的测试温度曲线和理论计算温度曲线.从图中可以看出，测试和理论计算的温度曲线趋势一致，理论计算的数值低一些.这主要是因为工艺飞轮与真实飞轮相比缺少了支撑轴，使得密封盖上的热量无法由支撑轴向轴承组件传递，从而导致这3个位置的测试结果偏高，理论计算的结果更接近真实情况.由于支撑轴的导热影响相对较小，所以两者温度相差不大.

图5 1＃、2＃、3＃热敏电阻的粘贴位置示意图

图6 1＃、2＃、3＃热敏电阻的试验测试温度曲线

图7 1＃、2＃、3＃热敏电阻的理论计算温度曲线

4＃、5＃、6＃、7＃、8＃热敏电阻粘贴在靠近飞轮焊接部位的圆周上，如图8所示。图9～12分别为这5个位置的测试温度曲线和理论计算温度曲线.从图中可以看出，两者的温度曲线趋势一致，温度值也基本相同，表明理论分析的热源模型是合理的，能够较好地模拟飞轮的真实焊接情况.

图8 4＃、5＃、6＃、7＃、8＃热敏电阻的粘贴位置示意图

图9 5＃、6＃热敏电阻的试验测试温度曲线

图10 5＃、6＃热敏电阻的理论计算温度曲线

图11 4＃、7＃、8＃热敏电阻的试验测试温度曲线

9＃、10＃热敏电阻粘贴在飞轮的基座上，如图13所示。图14～15分别为这两个位置的测试温度曲线和理论计算温度曲线.从图中可以看出：10＃位置两者的温度曲线趋势一致，温度值也基本相同；9＃位置两者的温度曲线趋势一致，理论值比试验测试值偏低一些，其原因是工艺飞轮缺少电机组件和轮体组件，使得基座的热量无法向两者传递，导致测试温度比真实情况偏高.

图12 4＃、7＃、8＃热敏电阻的理论计算温度曲线

图13 9＃、10＃热敏电阻的粘贴位置示意图

图14 9＃、10＃热敏电阻的试验测试温度曲线

图15 9＃、10＃热敏电阻的理论计算温度曲线

3 结 论

本文对某类型飞轮密封焊接过程中的温度场分布情况进行了数值模拟，并与实际测试结果进行了对比，结果表明：理论计算的数值与测试结果基本相符，两者随时间变化的温度曲线趋势一致.这表明理论计算的模型是合理、可信的，能较好地模拟飞轮焊接过程.

［1］张文钺.焊接传热学［M］.北京：机械工业出版社，1989

［2］田锡唐.焊接结构［M］.北京：机械工业出版社，1982

［3］陈楚，张月娥.焊接热模拟技术［M］.北京：机械工业出版社，1985

［4］武传松.焊接热过程数值分析［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1990

［5］拉达伊 D.焊接热效应温度场、残余应力、变形［M］.北京：机械工业出版社，1997

［6］陈楚.数值分析在焊接中的应用［M］.上海：上海交通大学出版社，1985

［7］蔡志鹏，赵海燕，鹿安理，等.焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用［J］.中国机械工程，2002，13（3）：34-36

［8］蔡志鹏，赵海燕.串热源模型及其在焊接数值模拟中的应用［J］.机械工程学报，2001，37（4）：25-28

Numerical Simulation of Flywheel Soldering Temperature Field

ZHANG Ke，WU Dengyun，YU Guoqing
（Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China）

Soldering seal is one of the most important processes in the flywheel assembly procedure.Appropriate distribution of temperature field is needed to ensure the quality of the soldering.In this paper，a temperature field of a flywheel is simulated and analyzed.And then，calculated results are compared with experimental data.The results show that calculated results are coincident with experimental data，and the finite element analysis model indicates the temperature field distribution in the soldering process correctly.

flywheel； soldering temperature field；finite element analysis

TG402

A

1674-1579（2009）04-0057-04

2008-11-03

张 可（1982—），女，河南人，工程师，研究方向为航天器控制执行机构技术 （e-mail：zhangke＠sjp.buaa.edu.cn）.