藺敏

摘? 要：為了直觀地得知焊接過(guò)程中焊接電纜所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在空間中的分布情況，對(duì)工作中的直流弧焊機(jī)焊接電纜的工作原理進(jìn)行分析，在ANSYS軟件中模擬焊接工作環(huán)境，取工作時(shí)的輸出電流（50A，200A），利用有限元法計(jì)算距焊接電纜不同位置的空間點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在焊接過(guò)程中，輸出電流的變化，對(duì)焊接電纜所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流大小成正相關(guān);距焊接電纜的距離決定著同一輸出電流時(shí)，該位置磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，空間場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度與距離呈負(fù)相關(guān)。利用ANSYS有限元分析方法，得到了焊接時(shí)焊接電纜所產(chǎn)生的空間電磁場(chǎng)分布特點(diǎn);解決了僅依靠測(cè)量手段觀測(cè)空間場(chǎng)的有限個(gè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但無(wú)法得知空間場(chǎng)的三維分布問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ANSYS仿真;有限元法;焊接環(huán)境;空間磁場(chǎng)分布;磁感應(yīng)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0022-03

Abstract： In order to intuitively know the spatial distribution of the electromagnetic field generated by the welding cable during the welding process. Analyze the working principle of the welding cable of the DC arc welding machine at work， simulate the welding working environment in ANSYS software， take the output current （50A， 200A） during work， and use the finite element method to calculate the space points from different positions of the welding cable Magnetic induction. During the welding process， the change in output current has an effect on the magnetic field distribution generated by the welding cable. The magnetic induction strength is positively related to the magnitude of the current; the distance from the welding cable determines the magnitude of the magnetic field strength and the space field at the same output current. There is a negative correlation between magnetic induction and distance. The ANSYS finite element analysis method was used to obtain the magnetic field distribution characteristics of the space electromagnetic field generated by the welding cable during welding. It solved the problem of observing the three-dimensional distribution of the space field only by measuring the magnetic induction intensity of the finite points of the space field by means of measurement.

Keywords： ANSYS simulation; finite element method; welding environment; distribution of space magnetic field; magnetic flux density

引言

在有限元技術(shù)日趨完善的今天，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算機(jī)速度的不斷提高，有限元在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析問(wèn)題的有效途徑。ANSYS作為大型通用有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）軟件，以Maxwell方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)，是電磁計(jì)算的可靠工具[1-2]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼產(chǎn)量的一半以上是用焊接工藝把它制成鋼制品的[3]。我國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，焊接技術(shù)在各行業(yè)均有大量需求。弧焊設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的電磁場(chǎng)，研究焊接時(shí)電磁場(chǎng)的分布問(wèn)題，一直是焊接行業(yè)中的熱點(diǎn)話(huà)題[4]。美國(guó)科研人員對(duì)弧焊機(jī)焊接過(guò)程中三維電磁力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，力求精確計(jì)算整個(gè)焊接中三維電流密度和磁通量密度[5];歐洲對(duì)懸掛式手操電阻焊槍焊接操作操作的電磁環(huán)境進(jìn)行計(jì)算[6];北京工業(yè)大學(xué)宋永倫教授團(tuán)隊(duì)對(duì)于焊接時(shí)空間場(chǎng)的電磁環(huán)境做了測(cè)量分析[7]。

一直以來(lái)，對(duì)焊接過(guò)程中空間電磁場(chǎng)的分布情況，多借助測(cè)量手段進(jìn)行研究，這只能得到有限個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)分布，但是不能構(gòu)建系統(tǒng)的三維分布模型。本文運(yùn)用電磁計(jì)量學(xué)的方法，在ANSYS軟件中建立焊接模型，精確直觀地體現(xiàn)了焊接電纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的空間分布特性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 麥克斯韋方程組

ANSYS軟件以麥克斯韋方程組作為電磁場(chǎng)分析的出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)麥克斯韋方程組：

式中，？滋為磁導(dǎo)率，？著為介電常數(shù)，？滓為電導(dǎo)率。求解低頻磁場(chǎng)時(shí)，用ANSYS仿真軟件計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)式（5）即可求得焊接電纜所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

1.2 ANSYS實(shí)現(xiàn)過(guò)程

對(duì)焊接過(guò)程焊接電纜所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)空間分布情況的仿真，首先對(duì)電磁環(huán)境模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。將其假設(shè)為一個(gè)半徑為2m，高為5m的圓柱體空氣腔;取架空的一條焊接電纜，視為長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)設(shè)置為5m，半徑為0.005m。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶üぜê附与娎|）以及周?chē)慕橘|(zhì)（如空氣）。我們對(duì)空氣介質(zhì)逐層建立，依次為距焊接電纜5cm、10cm、20cm、50cm的實(shí)驗(yàn)空氣層。

利用ANSYS有限元軟件的低頻電磁場(chǎng)分析功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，剖分后網(wǎng)格單元數(shù)量在270多萬(wàn)個(gè)，施加電流載荷并設(shè)置邊界條件，選擇低頻靜態(tài)磁場(chǎng)分析功能對(duì)焊接電流諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)分量進(jìn)行分析計(jì)算，由于網(wǎng)格數(shù)量較多，計(jì)算量較大，在進(jìn)行求解時(shí)，計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量需在16GB以上，計(jì)算時(shí)間需0.5h以上，最后得到電纜周?chē)拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度值。

2 仿真結(jié)果分析

焊接時(shí)，焊條根據(jù)其焊芯的大小，通常分為2mm、2.5mm、3.2mm、4mm、5mm、6mm這幾種，其對(duì)應(yīng)的電流分別為50～80A、100～130A、160～200A區(qū)間內(nèi)，故我們選用50A和200A這兩個(gè)電流區(qū)間的始末點(diǎn)進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)輸出電流為50A，焊接電纜產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值在5.3？滋T，隨著據(jù)焊接電纜距離的變化，當(dāng)離焊接電纜的距離越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在逐漸減小，當(dāng)據(jù)焊接電纜距離為50cm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為0.0064？滋T。如圖1所示，左上為輸出電流為50A時(shí)，距離焊接電纜為0-5cm的空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布圖，右上為輸出電流為50A時(shí)，距離焊接電纜為5-10cm的空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布圖，左下為輸出電流為50A時(shí)，距離焊接電纜為10-20cm的空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布圖，右下為輸出電流為50A時(shí)，距離焊接電纜為0-5cm的空間內(nèi)的磁場(chǎng)分布圖，我們可以根據(jù)此圖直觀的看到隨距離變化空間磁場(chǎng)的變化情況。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電流載荷加為200A時(shí)，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度為21.3？滋T，隨著據(jù)焊接電纜距離的變化，當(dāng)離焊接電纜的距離越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在逐漸減小，當(dāng)據(jù)焊接電纜距離為50cm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為0.0259？滋T。模擬結(jié)果分布圖見(jiàn)圖2所示（位置變化規(guī)律同上）。

3 結(jié)論

（1）從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，焊接時(shí)，直流弧焊機(jī)輸出電流達(dá)到50A時(shí)，在距焊接電纜0cm處，空間場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在5.3？滋T，隨著距離焊接電纜的位置的變化，在距焊接電纜5cm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度驟降為0.64？滋T，在距焊接電纜10cm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為0.41？滋T，在距焊接電纜20cm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.19？滋T，到更遠(yuǎn)的50cm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)?.0064？滋T，幾乎可以忽略不記。直流弧焊機(jī)輸出電流達(dá)到200A時(shí)，在距焊接電纜0cm處，空間場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在21.3？滋T，隨著距離焊接電纜的位置的變化，在距焊接電纜10cm處，磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為0.76？滋T，更遠(yuǎn)則磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度更小。我們可以根據(jù)以上規(guī)律，做出焊接電纜電磁場(chǎng)空間分布特性曲線(xiàn)。點(diǎn)線(xiàn)圖如圖3所示。

（2）前人對(duì)于焊接操作的空間磁場(chǎng)分布情況的研究是基于實(shí)地測(cè)量的方法，測(cè)量時(shí)只能選取有限點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，并不能實(shí)際反應(yīng)磁場(chǎng)的分布情況。本文運(yùn)用ANSYS軟件，設(shè)計(jì)焊接環(huán)境模型，采用有限元分析方法，系統(tǒng)詳盡地繪制了空間磁場(chǎng)三維分布云圖，更直觀地體現(xiàn)了空間磁場(chǎng)的分布情況。

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