液压支架立柱堆焊过程数值模拟

曾巍

摘 要：为预测液压支架立柱的堆焊过程温度场的分布情况，现以ANSYS软件为平台，运用APDL编程及单元生死技术，在20 ℃ 环境下对简化的立柱模型进行了焊接瞬态热分析，模拟了符合堆焊工艺的热源移动过程，得到了立柱的焊接温度场分布规律。结果表明，热源周围温度呈环状分布，适当的预热可以提高热源中心温度。

关键词：数值模拟；温度场；堆焊；有限元分析

0 前言

在服役过程中，液压支架上的立柱活塞杆表面容易被飞溅的煤矸石击中，导致其表面发生破损，同时，由于采煤环境中具有较多含有Cl-和SO42-的腐蚀性介质及硬颗粒，导致立柱内表面和立柱活塞杆表面产生腐蚀和磨损，严重时甚至会使采煤无法进行而导致重大损失[1]。为提高活立柱表面的强度、硬度和耐腐蚀性能，一般要对立柱表面进行表面改性处理，以提高其表面的强度、硬度和耐腐蚀性能，进而提高立柱的服役寿命，降低煤炭采掘成本，提高经济效益[2-4]。

堆焊作为一种可行性方法得到了应用，本文利用ANSYS有限元分析软件对立柱表面堆焊金属层的焊接温度场进行数值模拟分析研究，得到了不同时刻焊接温度场分布情况。

1 实例分析

立柱二维图如图1所示，在20 ℃环境下对液压支架立柱的堆焊过程进行数值模拟。

1.1 模型建立及网格划分

液压支架立柱尺寸如下：直径99 mm、长700 mm、球头半径52.5 mm、孔径16 mm；在立柱表面堆焊一层厚5 mm的焊层。考虑到堆焊过程的连续性与稳定性，建立的模型可简化为长6 mm，半径49.5 mm呈900的扇形。由于不存在复杂曲面，且映射网格对载荷的施加和收敛的控制是非常有利的，当映射网格划分不能实施时，才考虑选用自由网格进行补充[5]。所以在划分网格时可以优先考虑映射六面体单元，为了获得一个良好的瞬态焊接温度场，焊缝处的单元网格最好控制在2 mm以下[6]。根据以上条件控制网格划分，有限元模型如图2所示。

1.2 热物理参数设定

做温度场分析需要的参数：密度DENS、比热容C、导热系数KXX。以上参数随温度变化，焊接过程中立柱的温度从室温20 ℃上升至1500 ℃之上，然后冷却至室温，温度变幅剧烈，所以参数改变也很大。查阅相关手册得到几个关键点数值，由外推法及插值得到参数—温度曲线。为保证堆焊效果，焊区材料应与立柱材料性质相近，故焊区与立柱参数取值一致[7]。

2 模拟结果与分析

堆焊的数值模拟是一个瞬态分析的过程，在进行瞬态分析之前须在极短的时间内（t=0.01 s）给整个模型施加初始温度，进行稳态分析，从而得到一个均匀分布的温度场。之后利用APDL编程以循环的命令实现热源移动的过程。20 ℃ 环境下的温度分布情况如图3所示；距离热源中心R=0、3、6、9 mm处得到的温度随时间的变化曲线如图4所示。

图3为20 ℃ 环境下，不同时刻热源周围温度分布图。由图可见热源周围温度呈环状分布，随着热源快速移动环状区域亦随之变化，温度带分布均匀，符合堆焊实际情况。

图4为温度—时间曲线，由图5可见四处测量点的温度在极短时间内上升，距离热源越远温度越低，冷却时先急后缓，最后趋近于冷却环境温度。

3 结论

⑴ 基于ANSYS的单元生死技术很好的模拟了液压支架立柱堆焊过程，得到的温度场分布与实际情况相符，很好的反映了堆焊过程的温度变化。

⑵ 通过数值模拟对堆焊的质量和性能进行预测，节約了试验成本，缩短了研发时间，对于堆焊工艺的优化具有一定指导作用。

参考文献：

[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] 王志华.液压支架立柱的腐蚀机理及其防护[J].矿山机械，2011，23（2）：39-43.

[3] 王海波，王永强，张敏.堆焊在液压支架立柱中缸中的应用[J].航天制造技术，2009，4：24-27.

[4] 吕纪武，刘宁，黄一声.活塞杆堆焊后的回火温度的研究[J].金属加工，2009，10：29-31.