电阻点焊电极热流耦合分析与对流换热特性研究

【摘要】： 电阻点焊电极主要承载着导电、散热、施压三大功能。在电阻点焊过程中,电极的温度上升的很快,在高温高压作用下,电极很快就会磨损失效。电极磨损失效的快慢不仅会影响焊接质量的可靠性和健壮性,而且将直接影响到轿车装配焊接工艺的费用和生产效率。电极对流换热作用是电极散热的重要手段,电极冷却不佳,将直接导致电极过早磨损,增加生产成本,进而极大影响焊接装配的生产效率和生产质量。现有的点焊电极研究主要集中在电极材料的改进和替换方面,很少考虑电极的对流换热作用对电极磨损的影响,部分实验研究表明冷却流体流速,水冷管管径和水冷管高度是影响电极对流换热作用的主要因素。然而现有的研究中缺乏对电极对流换热性能的综合认识和评价的数学模型,无法最大限度的发挥冷却水的换热能力。为此,本文综合考虑电极对流换热的影响因素,开展基于热流场耦合的电阻点焊电极对流换热特性建模与优化研究,旨在提高电极对流换热性能和效果,延缓电极磨损失效的速度,降低轿车生产成本。 针对电阻点焊电极对流换热的问题,首先详细的分析电极对流换热的过程和特性,明确电极换热流体流态和电极散热机理;采用有限元仿真和热流场耦合算法,分析确定电极对流换热的主要影响因素;引入电极对流换热性能评价指标-冷却率和排热率的概念,建立面向冷却率的电极对流换热性能评价的响应面模型;在此基础上,展开电极对流换热结构的改进设计,研究基于遗传算法的多目标并行优化的求解方法和结论;最后通过实际工艺条件下电阻点焊对流换热案例分析和优化试验,验证本课题研究方法和结论的有效性。本文的主要研究工作如下: 1)电阻点焊电极对流换热问题分析 在对电阻点焊工艺及电极水冷却系统结构构成介绍的基础上,将电极对流换热分为流和热两个过程来展开对问题的分析。着重分析明确电极冷却流体的流态和特性,剖析电阻点焊工艺的各个阶段电极冷却流体热交换的情况;基于对电阻点焊过程中热接触、热源和热阻的描述,分析电极传热、散热的途径和过程,重点研究电极热输入的机理和组成,建立电极热平衡方程。针对电极对流换热问题,引入冷却率和排热率的概念,建立电极对流换热特性和效果的评价指标,并对影响电极对流换热性能的具体因素进行了分析和归纳,为后续进行建模优化和实际案例分析的工作奠定基础。 2)电极对流换热过程仿真 在分析了电极对流换热性能影响因素的基础上,通过对电极热流场的直接耦合计算,实现电极对流换热过程的一次性求解。借助于编制Gambit和Fluent的自动求解程序,建立有限元分析环境下电极对流换热过程的数值仿真模型,并通过大量的计算,研究电极的冷却流体特性和对流换热特性,着重探讨各类影响因素与电极对流换热效果之间的关系,为后续进行实验建模的工作提供重要的依据和手段。 3)电极对流换热性能评价建模 在前述分析的基础上,确立以冷却流体流速,水冷管管径和水冷管高度为设计参数,以电极对流换热性能评价指标为设计目标,建立8二因子水平实验点,6轴点实验点和1中心实验点的实验设计方案。根据实验回归分析的响应面法和中心组合实验设计法的基本规则,建立面向冷却率的电极对流换热性能评价的响应面模型,并引入方差分析和F检验,验证模型的显著性。通过对响应面模型的曲面图和等高线图分析,明确电极对流换热性能与设计参数之间的变化规律。 4)电极对流换热结构改进和参数优化 电极水冷管末端形式和水冷却腔结构形式影响冷却流体的流场分布,导致冷却壁面处边界层的厚薄不同,进而影响到电极与流体之间的热交换效率。应用已建立的电极热流场耦合仿真模型和分析方法,研究电极结构形式对电极对流换热效果的影响关系,确定电极对流换热结构的改进设计方案。根据电极对流换热问题的实际需求,建立以电极冷却率,生产率和冷却能耗等为指标的多目标综合优化模型,借助遗传算法并行搜索和概率搜索的优异特点,实现不同权重下最优匹配变量的并行全局搜索,求得问题最优解。 5)电阻点焊电极对流换热案例分析及实验验证 在实际的电阻点焊工艺条件下,输入到电极的热量是瞬时变化的。根据电极热输入机理和组成的分析结论,采用理论公式计算的方法获取电极热电接触参数,并在已有点焊分析模型的基础上,确定和分析电阻点焊电极瞬时热量输入的大小和规律。应用本文提出的电极热流场耦合的分析方法,研究实际点焊工艺条件下电极温度特性和对流换热性能,分析结构改进和优化设计方案对实际电极对流换热的影响和作用。通过分析电极对流换热效果对电极表面状态的影响,确立电极对流换热实验目标,并根据实验测量数据验证电极对流换热结构改进和参数优化的结论。 本文在充分吸收和借鉴前人研究成果的基础上,对电阻点焊电极热流耦合方法和对流换热特性进行了深入的研究和探讨,并具体应用于点焊电极的冷却优化实例。本文的工作不但对电极的磨损失效研究有重要的意义,而且对电焊机的设计和电阻焊的实际应用也提供了重要的指导依据。