電阻點(diǎn)焊電極熱流耦合分析與對(duì)流換熱特性研究.pdf

1、電阻點(diǎn)焊電極主要承載著導(dǎo)電、散熱、施壓三大功能。在電阻點(diǎn)焊過程中，電極的溫度上升的很快，在高溫高壓作用下，電極很快就會(huì)磨損失效。電極磨損失效的快慢不僅會(huì)影響焊接質(zhì)量的可靠性和健壯性，而且將直接影響到轎車裝配焊接工藝的費(fèi)用和生產(chǎn)效率。電極對(duì)流換熱作用是電極散熱的重要手段，電極冷卻不佳，將直接導(dǎo)致電極過早磨損，增加生產(chǎn)成本，進(jìn)而極大影響焊接裝配的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。現(xiàn)有的點(diǎn)焊電極研究主要集中在電極材料的改進(jìn)和替換方面，很少考慮電極的對(duì)流換熱

2、作用對(duì)電極磨損的影響，部分實(shí)驗(yàn)研究表明冷卻流體流速，水冷管管徑和水冷管高度是影響電極對(duì)流換熱作用的主要因素。然而現(xiàn)有的研究中缺乏對(duì)電極對(duì)流換熱性能的綜合認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，無法最大限度的發(fā)揮冷卻水的換熱能力。本文綜合考慮電極對(duì)流換熱的影響因素，開展基于熱流場(chǎng)耦合的電阻點(diǎn)焊電極對(duì)流換熱特性建模與優(yōu)化研究，旨在提高電極對(duì)流換熱性能和效果，延緩電極磨損失效的速度，降低轎車生產(chǎn)成本。主要研究工作如下： 1)電阻點(diǎn)焊電極對(duì)流換熱問題分析

3、在對(duì)電阻點(diǎn)焊工藝及電極水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成介紹的基礎(chǔ)上，將電極對(duì)流換熱分為流和熱兩個(gè)過程來展開對(duì)問題的分析。著重分析明確電極冷卻流體的流態(tài)和特性，剖析電阻點(diǎn)焊工藝的各個(gè)階段電極冷卻流體熱交換的情況；基于對(duì)電阻點(diǎn)焊過程中熱接觸、熱源和熱阻的描述，分析電極傳熱、散熱的途徑和過程，重點(diǎn)研究電極熱輸入的機(jī)理和組成，建立電極熱平衡方程。針對(duì)電極對(duì)流換熱問題，引入冷卻率和排熱率的概念，建立電極對(duì)流換熱特性和效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)影響電極對(duì)流換熱性能的具

4、體因素進(jìn)行了分析和歸納，為后續(xù)進(jìn)行建模優(yōu)化和實(shí)際案例分析的工作奠定基礎(chǔ)。 2)電極對(duì)流換熱過程仿真在分析了電極對(duì)流換熱性能影響因素的基礎(chǔ)上，通過對(duì)電極熱流場(chǎng)的直接耦合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)電極對(duì)流換熱過程的一次性求解。借助于編制Gambit和Fluent的自動(dòng)求解程序，建立有限元分析環(huán)境下電極對(duì)流換熱過程的數(shù)值仿真模型，并通過大量的計(jì)算，研究電極的冷卻流體特性和對(duì)流換熱特性，著重探討各類影響因素與電極對(duì)流換熱效果之間的關(guān)系，為后續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建

5、模的工作提供重要的依據(jù)和手段。 3)電極對(duì)流換熱性能評(píng)價(jià)建模在前述分析的基礎(chǔ)上，確立以冷卻流體流速，水冷管管徑和水冷管高度為設(shè)計(jì)參數(shù)，以電極對(duì)流換熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立8二因子水平實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，6軸點(diǎn)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)和1中心實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)實(shí)驗(yàn)回歸分析的響應(yīng)面法和中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的基本規(guī)則，建立面向冷卻率的電極對(duì)流換熱性能評(píng)價(jià)的響應(yīng)面模型，并引入方差分析和F檢驗(yàn)，驗(yàn)證模型的顯著性。通過對(duì)響應(yīng)面模型的曲面圖和等高線圖分析，明確

6、電極對(duì)流換熱性能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的變化規(guī)律。 4)電極對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化電極水冷管末端形式和水冷卻腔結(jié)構(gòu)形式影響冷卻流體的流場(chǎng)分布，導(dǎo)致冷卻壁面處邊界層的厚薄不同，進(jìn)而影響到電極與流體之間的熱交換效率。應(yīng)用已建立的電極熱流場(chǎng)耦合仿真模型和分析方法，研究電極結(jié)構(gòu)形式對(duì)電極對(duì)流換熱效果的影響關(guān)系，確定電極對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)電極對(duì)流換熱問題的實(shí)際需求，建立以電極冷卻率，生產(chǎn)率和冷卻能耗等為指標(biāo)的多目標(biāo)綜合優(yōu)化模型，

7、借助遺傳算法并行搜索和概率搜索的優(yōu)異特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同權(quán)重下最優(yōu)匹配變量的并行全局搜索，求得問題最優(yōu)解。 5)電阻點(diǎn)焊電極對(duì)流換熱案例分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在實(shí)際的電阻點(diǎn)焊工藝條件下，輸入到電極的熱量是瞬時(shí)變化的。根據(jù)電極熱輸入機(jī)理和組成的分析結(jié)論，采用理論公式計(jì)算的方法獲取電極熱電接觸參數(shù)，并在已有點(diǎn)焊分析模型的基礎(chǔ)上，確定和分析電阻點(diǎn)焊電極瞬時(shí)熱量輸入的大小和規(guī)律。應(yīng)用本文提出的電極熱流場(chǎng)耦合的分析方法，研究實(shí)際點(diǎn)焊工藝條件下電極溫度特