基于FLUENT对铅酸蓄电池简化汇流排铸焊过程的数值模拟

□ 毛伟祥 □ 王秀梅 □ 梁 异

上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072

1 FLUENT在合金凝固过程中的应用及软件简介

1.1 FLUENT在合金凝固过程中的应用

随着计算机技术的发展，以铸件合金凝固过程温度变化规律为基础的数值模拟得到了越来越广泛的应用［1～3］。这种方法不仅可以预测与铸件温度场有关的宏观缺陷，还可以对铸焊工艺进行优化设计，从而提高铸件的质量，减少废品率，缩短生产周期，进而降低生产及设计成本。

1.2 FLUENT软件简介

FLUENT是一款用于模拟和分析特定区域内的流体流动，以及大部分伴随流动过程所同时发生现象的专用 CFD软件［4］，它具有灵活多样的流体模型求解方法和灵活的非结构网格以及基于求解精度的自适应网格。由于采用了多种求解方法和多重网格的加速收敛技术，因此使其在流体计算领域中具有较优的计算速度及求解精度。

FLUENT无论是从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，只要是涉及流动、传热、相变、化学反应、燃烧、多相流等内容的问题都可进行模拟分析。作为目前全球市场占有率最大的 CFD软件，FLUENT在航空航天、汽车设计、船舶、机械、能源动力、化工、环境、电子、噪声、材料加工、生物医药、土木工程、环境工程、燃料电池等众多领域都有着广泛的应用［5］。

FLUENT与传统CFD软件相比，主要具有三方面优点。

（1）功能强，适用面广。包括各种优化物理模型、辐射模型、相变模型、离散相变模型、多相流模型、反应流模型及化学组分输运等。

（2）高效，省时。FLUENT将不同领域的计算软件组合起来 ，成为CFD计算机软件群 ，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入重复和低效的劳动，可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

（3）计算精度更高。

2 模型的建立及网格划分

2.1 模型的建立

此模型采用目前机械CAD/CAM/CAE领域主流的产品设计三维建模软件UG8.0对所需的模型进行参数化建模，整个模型包括1个汇流排和6个极耳组成，如图1所示。

2.2 网格划分

笔者所使用的是ANSYS集成的MESH组件对模型进行网格划分，在MESH组件中，可以根据不同的物理场和求解器生成网格，而物理场有流场、结构场和电磁场。流场求解又可以采用 FLUENT、CFX、POLYFLOW，结构场求解可以采用显示动力算法或隐式算法，不同的物理场对网格的要求也不一样，通常流场的网格比结构场要细密得多，因此选择不同的物理场也会有不同的网格划分。

网格划分采用基于FLUENT求解器划分方法。为了提高计算精度，对极耳和汇流排分别采用了Sweep（扫掠网格）和Hex Dominant（六面体域网格）的方法对几何模型进行网格划分，其形成的网格大部分为六面体。划分网格后的有限元模型如图2所示，其单元总数为118 374，网格的质量好坏平均为0.809。

▲图1 三维模型

▲图2 划分网格后的模型

3 模拟计算

3.1 求解器简介

主要使用的软件为大型通用数值模拟软件ANSYS中的FLUENT求解器，对简化的铅酸蓄电池汇流排和极耳的铸焊过程进行模拟。

3.2 工艺参数

本文将讨论以下铅合金［6］。

铅钙合金，其特征成分为 0.063%Ca、0.58%Sn、0.015%Al，其熔点为 327℃。

铅锡合金，其特征成分为 2%Sn、0.25%Se，其固相线为316℃，液相线为322℃。

极耳采用铅钙合金，汇流排采用铅锡合金。铅的物理性质见表1。

3.3 计算设置

为了使问题简化，作以下假设：

①液体金属瞬间充满型腔；

②忽略汇流排和极耳与空气的换热；

③汇流排与模具间换热系数不变。

在基于FLUENT软件的整个铸焊模拟过程中，首先通过选择能量及凝固选项，设置合理的数值模拟计算公式，施加汇流排、极耳的材料属性和计算边界条件，然后对计算域进行初始化等操作，最终对温度场进行计算，具体操作过程如下。

（1）进入 ANSYS15.0软件包，选择 ANSYS Workbench进入Workbench界面，然后在左边的工具箱中找到FLUENT工具，双击打开FLUENT求解器。

（2）在Workbench界面设置保存路径，对文件进行保存。

（3）在FLUENT工具条的第三项MESH中，右击导入提前划分好的mesh文件，从而完成网格文件读取到FLUENT求解器。

（4）进入FLUENT求解器界面，首先在General选项设置。在“Scale”选项卡中，将几何模型尺寸更改为毫米；求解器设置中选择压力基准求解器，类型设为瞬态计算；在重力设置中输入Z方向加速度为-9.8m/s2，X、Z方向为 0，并改变温度单位为℃。

表1 铅的物理性质

（5）物理模型设置。选择 Energy能量模型，求解能量守恒方程；选择 Solidification&Melting融合凝固模型，其它保持不变。

（6）材料属性设置。点击 Fluid创建铅锡合金和铅钙合金的材料属性，其中热物性参数均按多线性形式设置，保证计算的精确性。

（7）域条件的设置。在 Cell Zone Conditions域条件设置中，选择当前域类型为流体域。

（8）边界条件设置。对外壁面边界进行温度设置，其传热系数为 1 700 W/（m2·K）［6］，温度为 150 ℃，设置对流传热模式。

（9）计算方法选择。在 Solution Methods中设置合理的计算方法及精度。

（10）松弛因子设置。在 Solution Controls中，根据计算机性能和计算时间的限制，设置合理的欠松弛因子，通常情况下一般采用默认值进行计算。

（11）分别设置汇流排和极耳的液体组分的监控。

（12）初始条件的设置。在 Solution Initialization中，对整个域进行初始化设置，设置极耳温度为25℃，汇流排温度为450℃。

（13）结果保存设置。在 Calculation Activities中，设置每 2个载荷步保存一次结果文件，同时在Solution Animations中，设置每经历2个载荷步保存一次温度场和液体组分的结果图片，以便在计算中实时观察计算情况。

（14）计算。在Run Calculation中，选择载荷步形式为变载荷步形式，初始载荷步长度设置为0.01 s，总载荷步数设置为2 000步，点击“Calculation”按钮开始计算。

4 计算结果分析

图4为汇流排和极耳中心点（图3中十字点）温度时间曲线的求解结果。

从图4可知，对于铅钙合金极耳和铅锡合金汇流排，模拟开始后汇流排温度迅速下降，极耳温度迅速上升至熔点，在接近 1 s时进入半液半固区域，并维持了约 2 s，从而使极耳与汇流排更有效地融合，得到更好的焊接接头质量，图中温度曲线的平台区是由于凝固潜热的释放而形成。

模拟并对极耳和汇流排的液体组分进行监控，其监控结果分别如图5、图6所示。

由图5可知，在模拟开始后，极耳在插入汇流排中的部分迅速融化，其比例接近了极耳总体积的14%，而其插入汇流排的比例为21%，表明并没有出现过融情况。下面分别列举以下时间点的极耳汇流排中截面的液态组分云图，如图7～图14所示。

由云图可知，极耳在0～0.3 s之内插入汇流排的部分迅速融化为液态，而汇流排则几乎没有变化。0.3 s之后，由于来自于模具的冷却以及极耳融化吸收的热量，导致汇流排在0.3～3 s内全部凝固为固体，最终和融化的极耳融为一体。

5 结论

▲图3 汇流排-极耳示意图

▲图4 极耳和汇流排温度曲线

▲图5 极耳液体组分随时间的变化

▲图6 汇流排液体组分随时间的变化

▲图7 0.02 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图8 0.06 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图9 0.12 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图10 0.18 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图11 0.30 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图12 1.0 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图13 1.7 s极耳汇流排中截面的液态组分云图

▲图14 3.0 s极耳汇流排的液态组分云图

笔者分析了主流CFD软件—FLUENT软件的主要特点和应用，用FLUENT对铅酸蓄电池汇流排铸焊过程进行了数值模拟。并对铸焊过程中的汇流排和极耳的中点做了温度监控，以及分别对汇流排和极耳中液态组分随时间变化进行了监控。通过模拟可知，FLUENT能够很好地用于合金凝固的过程分析，并且对于一般的模拟过程无需编程，可以省去大量的时间用于优化算法的选用、参数的确定，从而很好地提高了工作效率。

［1］安晓卫，王承志，宋广胜.铸件凝固温度场有限元分析中界面热阻的处理［J］.计算力学学报，2005（1）：100-103.

［2］李日，王友序，杨根仓，等.热交换系数在活塞金属型铸造工艺中的作用的数值模拟研究 ［J］.机械科学与技术，2003，22（6） ：928-930.

［3］薛祥，周彼德，张跃冰，等.H型钢坯水冷金属型铸造充型凝固过程数值模拟［J］.铸造，2003（12） ：1182-1185.

［4］张涛，贾云飞，吴蕾.基于FLUENT数值仿真下的旋进旋涡流量计的研究与优化［J］.化工自动化及仪表，2005，32（6）：62-64.

［5］周元春，杨曙东，罗博，等.基于Fluent的大通径滑阀压力流量特性研究［J］.机床与液压，2011，39（19）：103-105.

［6］余伟华.铅酸蓄电池电极铸焊工艺研究［D］.上海：上海交通大学，2008.