بررسي المان محدودي توزيع حرارت در قطعات جوشكاري با استفاده از روش مش تطبيقي

Finite Element Analysis of Heat Distribution in Weld Parts by Adaptive Mesh Method

در اين مقاله با استفاده از روش المان محدود تطبيقي به تحليل حرارتي المان‌هاي ورق در حال جوشكاري به‌منظور دستيابي به يك شبيه‌ساز فرآيند جوشكاري پرداخته مي‌شود. هدف از اين شبيه‌ساز، كاهش هزينه‌هاي آموزش جوشكاري مي‌باشد. با افزايش سرعت محاسبات انتقال حرارت در مقايسه با روش‌هاي رايج المان محدود، اين روش زمان محاسبات كمتري دارد و توسعه‌ شبيه‌ساز را امكان‌پذير مي‌كند. لذا از آن به‌عنوان موتور فيزيكي شبيه‌ساز جوشكاري استفاده خواهد شد. مهم‌ترين پارامتر در تحليل بلادرنگ سرعت محاسبات، دقت مي‌باشد. لذا روش مش تطبيقي در حالت پالايش-اچ استفاده و تحليل حرارتي فرآيند به روش مش ثابت و مش تطبيقي انجام مي‌شود. در ابتدا به حل معادله حرارتي پرداخته ‌شده سپس ماتريس سختي، ماتريس ظرفيت و ساير پارامترها به-دست آورده مي‌شود. همچنين المان‌ها به‌صورت تتراهدال 3 بعدي به‌كمك 3 مختصه‌ي خود درنظر گرفته مي‌شوند. براي اعمال شار حرارتي ناشي از قوس جوشكاري از مدل قوسي پائوليك استفاده مي‌گردد. پارامترهاي موردمطالعه در معادلات، ولتاژ، جريان، سرعت جوشكاري و خصوصيات ورق جوشكاري هستند كه بصورت متغيير با دما در نظر گرفته شد. مقايسه زمان و دقت نتايج به‌دست آمده سيكل حرارتي حاصل از جوشكاري الكترود دستي به روش مش تطبيقي نشان مي‌دهد كه كاهش مطلوب زمان محاسبات، تأثير نامناسبي بر دقت نتايج حاصل نمي‌گذارد.

In this article, thermal analysis of sheet metals during arc welding is studied by an adaptive finite element method to construct a welding process simulator. This simulator can be developed to reduce the cost of weld training. By increasing the calculation speed of heat transfer in comparison with the usual methods, this approach analyzes the process in real-time and permits the development of the simulator. So, it can be used as the main calculation engine of a welding simulator. The most crucial parameter in evaluation of real-time analysis is the calculation accuracy. Hence an adaptive mesh method based on H-refinement is applied and the heat transfer is analyzed by both constant and adaptive mesh methods. First, the heat transfer equations will be derived and solved, then the stiffness and capacity matrix and the other parameters will be obtained. The linear 3D tetrahedral elements are used and considered by means of 3 dimensional cartesian coordinates. The heat flux of the arc is studied through Pavelic model. The parameters of interest in the equations are welding voltage, current, speed and sheet specifications which are time dependant. A comparison between the calculation times and accuracy of the results demonstrates that an adequate calculation speed is achieved without any considerable effect on the accuracy.