ТЕОРИЯ сварочных процессов

Баланс энергии в столбе дуги

Пренебрегая очень небольшой долей энергии, получаемой ио­нами при их ускорении в продольном поле (ионный ток мал), можно считать, что вся энергия, отбираемая дуговым разрядом от внешнего источника, в столбе дуги переходит непосредственно к электронам плазмы. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию молекул газа, а также на повышение их кинетической энергии при упругих столкновениях.

Баланс мощности для единицы длины столба дуги имеет вид

ІЕ = Ри + Рт + РКі (2.53)

где Ри, Рт и Рк - потери мощности столба дуги соответственно из­лучением, теплопроводностью и конвекцией.

Отношение Рц/(РТ + Рк) зависит от параметров режима дуги (/,

U9 /д), формы столба дуги и рода атмосферы (газовой среды).

Для слаботочных дуг, ограниченных стенками, В. Эленбаас и Г. Геллер пренебрегли величинами Ри, Рк и рассчитали баланс энергии. При этом столб дуги рассматривался как цилиндрический сплошной токопроводящий стержень с удельной электрической проводимостью а, в котором вся подводимая к единице объема

электрическая энергия (джоулева теплота) jE = сЕ отводится за счет теплопроводности на охлаждаемые стенки разрядной трубки радиусом R. Подобные условия часто встречаются при практиче­ском использовании различного вида сварочной дуги. Даже если дуга горит в свободной атмосфере или обдувается потоком газа, такая модель дает представление о состоянии в токопроводящем канале, поскольку температура на оси дугового разряда не очень чувствительна к внешним условиям. Так, при атмосферном давле­нии в дуговом разряде (/ = 20... 100 А) температура аргоновой плазмы не превышает 11 ООО... 12 ООО К. Потери на излучение в большинстве случаев заметно уступают выносу энергии из столба

чинается итерационный цикл для расчета значений потенциала, температуры и т. д. в конце шага.

7. В начале итерационного цикла проводится моделирование фазовых превращений и определяется новый фазовый состав, а также количество теплоты, выделяемой или поглощаемой за шаг в процессе превращений.

8. Моделируется протекание электрического тока, определяют­ся потенциалы во всех узлах, токи через все границы и теплота, выделяющаяся за шаг в результате протекания этих токов.

9. Моделируется распространение теплоты, определяются тем­пературы в узлах в конце шага с учетом действия всех внешних и внутренних источников и стоков теплоты.

10. Моделируется процесс диффузии водорода, определяется его концентрация в узлах в конце шага.

11. В конце итерационного цикла проводится сопоставление найденных значений температуры и остальных параметров в узлах модели с их значениями после предыдущей итерации. Если мак­симальное среди всех узлов изменение превышает заданный уро­вень, от которого зависит точность решения, то итерация повторя­ется с этапа 7. Если условие точности выполнено, то искомые зна­чения считаются найденными.

12. Производится вывод результатов шага (на экран или на пе­чать) и переход к следующему шагу решения.

13. После завершения всех запланированных шагов счет за­вершается.

Результаты шагов решения можно анализировать по мере их появления - до полного завершения решения. Для этого, как и для ввода исходных данных, используется интерактивный режим ра­боты. Визуализация является необходимым средством анализа ре­зультатов моделирования, которые МКЭ выдает в таком количест­ве, что в табличном виде их невозможно воспринять. Известны следующие способы визуализации результатов решения МКЭ.

1. Изображение поля значений компонента (потенциала, тем­пературы и т. д.) для плоской модели, а также для наружной по­верхности или поверхности сечения объемной модели. Распреде­ление компонента по поверхности может быть представлено изо­линиями (разноцветными или пронумерованными), а также в виде ЗБ-диаграммы, аргументами которой являются координаты точек поверхности. Эти средства позволяют также изобразить поочеред­но отдельные компоненты векторного поля (например, проекции вектора плотности электрического тока). Кроме того, векторное поле на поверхности можно представить в виде рассеянных по ней стрелок, длина которых пропорциональна модулю вектора, а на­правление указывает направление градиента поля в данной точке поверхности. Можно также провести силовые линии, сгущающие­ся в области высоких значений модуля вектора. Вектор поля в ка­ждой точке направлен по касательной к силовой линии. Подведе­ние курсора к одному из изображенных на модели узлов позволяет получить информацию о значениях любых параметров в этом узле. При моделировании деформаций каждый узел модели испытывает перемещения. Поле перемещений узлов может быть представлено в виде смещенной сетки конечных элементов, показанной взамен или поверх исходной (координаты узлов смещенной сетки равны сумме исходных координат и перемещений, причем масштаб пе­ремещений может быть крупнее масштаба исходных координат). Изображение смещенной сетки можно совместить с изображением какого-нибудь параметра на ней в виде изолиний.

2. Если выбрать одну из линий на поверхности или в сечении детали, то возможен одновременный просмотр графиков распре­деления сразу нескольких параметров вдоль этой линии. Здесь подведение курсора к точке на линии или на графике также позво­ляет получить дополнительную текстовую информацию.

3. Когда имеется несколько шагов решения, то картину дина­мики изменения параметров в процессе моделирования может дать либо серия графиков параметра вдоль одной линии, либо серия графиков нескольких параметров в одной точке модели, аргумен­том которых является время. Применяется также анимация с чере­дованием на экране изображений, описанных выше.

4. Можно построить график значений одного параметра в точ­ках выбранной линии, аргументами которого будут значения дру­гого параметра в тех же точках.