MÔ PHỎNG TỎA NHIỆT PHƯƠNG PHÁP HÀN KHUẤY MA SÁT BẰNG PHẦN MỀM COMSOL

Phần mềm COMSOL hiểu đơn giản là phần mềm mô phỏng, là một mô phỏng dựa trên vật lý và lập mô hình. Sâu thẳm, nó có thể tạo mô phỏng chính xác cho các ứng dụng Multiphysics. Tài liệu này cung cấp quá trình mô phỏng nhiệt một thanh sắt được hàn bằng phương pháp hàn khuấy sử dụng phần mềm COMSOL

 BÁO CÁO MƠN HỌC TỐN ỨNG DỤNG NHIỆT CHỦ ĐỀ: MÔ PHỎNG TỎA NHIỆT PHƯƠNG PHÁP HÀN KHUẤY MA SÁT Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN MỤC LỤC Lời mở đầu .1 Định nghĩa mơ hình .2 Kết thảo luận .4 Tài liệu tham khảo 5 Hướng dẫn mơ hình hóa .5 MODEL WIZARD GLOBAL DEFINITIONS GEMETRY DEFINITIONS 10 HEAT TRANSFER IN SOLIDS 11 DEFINITIONS 13 HEAT TRANSFER IN SOLIDS 13 MATERIALS .18 MESH 20 STUDY 21 RESULTS .21 Lời mở đầu Các nhà sản xuất sử dụng phương pháp hàn đại gọi hàn khuấy ma sát để hàn nhơm Mơ hình phân tích truyền nhiệt q trình hàn Mơ hình dựa báo M Song R Kovacevic Đưa vào hàn khuấy ma sát, dụng cụ quay tiến triển nối mối hàn nấu chảy nhôm qua sinh sản nhiệt ma sát Quay dụng cụ khuấy nhôm nấu chảy cho hai chỗ nối Hình thể dụng cụ quay nhôm chỗ nối joint shoulder pin aluminum welded region Hình 1: Hai nhơm nối với cách hàn khuấy ma sát Công cụ xoay tiếp xúc với nhôm dọc theo hai bề mặt: vai công cụ chân công cụ Công cụ bổ sung nhiệt cho nhơm thơng qua hai giao diện Trong q trình hàn, công cụ di chuyển dọc theo khớp hàn Chuyển động địi hỏi mơ hình phức tạp bạn muốn mơ hình hóa cơng cụ nguồn nhiệt di chuyển Ví dụ có cách tiếp cận khác sử dụng hệ thống tọa độ di chuyển cố định trục công cụ Sau thực chuyển đổi tọa độ, vấn đề truyền nhiệt trở thành vấn đề đối lưu dẫn điện cố định đơn giản để mơ hình hóa Mơ hình bao gồm số đơn giản hóa Ví dụ, biến đổi tọa độ giả định nhơm dài vơ hạn Điều có nghĩa phân tích bỏ qua hiệu ứng gần cạnh Nghĩa nguyên nhân trình vào khuấy nhơm phức tạp bao gồm chuyển pha lưu lượng trang bị vật chất từ mặt trước đến phía sau dụng cụ quay Định nghĩa mơ hình Hình học mơ hình đối xứng xung quanh mối hàn Do đó, đủ để mơ hình hóa nhơm Kích thước 120 mm x 102 mm x 12,7 mm, bao quanh hai miền vô hạn x hướng Hình cho thấy hình học mơ hình kết quả: Hình 2: Mơ hình hình học để hàn khuấy ma sát Phương trình sau mơ tả truyền nhiệt Là kết việc sửa chữa hệ tọa độ cơng cụ hàn, phương trình bao gồm thuật ngữ đối lưu thuật ngữ dẫn điện Phương trình ∇ ⋅ (–k∇T) = Q – ρ CPu ⋅ ∇T Trong k đại diện cho độ dẫn nhiệt, ρ mật độ, Cp biểu thị công suất nhiệt cụ thể u vận tốc Mơ hình đặt vận tốc đến u = 1,59 ·10−3 m / s theo hướng x âm Mơ hình mô nhiệt tạo giao diện chân công cụ phôi nguồn nhiệt bề mặt q pin ( T ) = μ √3 ( 1+ μ ) 2 r p ω (T ) (W /m ) Ở μ ma sát có hiệu quả, rp biểu thị bán kính pin, ω đề cập đến vận tốc góc pin (rad / s) ( T ) ứng suất cắt trung bình vật liệu Như ra, ứng suất cắt trung bình chức nhiệt độ; mơ hình này, bạn xấp xỉ hàm với hàm phép nội suy định từ số liệu thực nghiệm tính đàn hồi đưa vào (xem Hình 3) Hình 3: Áp suất suất (MPa) so với nhiệt độ (K) cho nhơm 6061-T6 Ngồi ra, nhiệt tạo giao diện vai công cụ phôi; biểu thức sau xác định thông lượng nhiệt cục đơn vị diện tích (W / m2) khoảng cách r từ trục trung tâm cơng cụ: Ở Fn đại diện cho lực bình thường, As diện tích bề mặt vai, Tmelt nhiệt độ nóng chảy nhơm Như trước đây, μ hệ số ma sát ω vận tốc góc cơng cụ (rad / s) Trên nhiệt độ nóng chảy nhơm, ma sát dụng cụ nhơm thấp Do đó, mơ hình đặt hệ nhiệt từ vai chân xuống không nhiệt độ cao nhiệt độ nóng chảy Đối xứng giả định dọc theo ranh giới khớp hàn Các bề mặt nhôm nhiệt đối lưu tự nhiên xạ từ bề mặt đến môi trường xung quanh Các biểu thông lượng nhiệt tương ứng cho bề mặt Trong hup hdown hệ số truyền nhiệt cho đối lưu tự nhiên, T0 nhiệt độ tham chiếu liên quan, ε độ phát xạ bề mặt, σ số Stefan-Boltzmann Tamb nhiệt độ khơng khí xung quanh Việc mơ hình hóa miền vơ hạn phía bên trái, nơi nhơm rời khỏi miền tính toán, đảm bảo nhiệt độ trạng thái cân với nhiệt độ vô cực thông qua đối lưu tự nhiên xạ bề mặt với môi trường xung quanh Do đó, bạn đặt điều kiện ranh giới để cách nhiệt vị trí Bạn tính tốn tiêu chuẩn cho hệ số truyền nhiệt sử dụng biểu thức kinh nghiệm có hiệu lực đưa vào văn học truyền nhiệt Trong mơ hình này, dùng giá trị hup = 12,25 W/(m2· K) hxuống = 6,25 W /(m2· K) Kết thảo luận Hình cho thấy trường nhiệt độ kết Hãy xem xét kết bạn thấy qua cửa sổ cố định cho công cụ hàn di chuyển Hình 4: Trường nhiệt độ nhôm Nhiệt độ cao nhôm tiếp xúc với công cụ xoay Đằng sau công cụ, trình vận chuyển vật liệu nóng đi, phía trước cơng cụ, vật liệu lạnh vào Tài liệu tham khảo M Song R Kovacevic, Tạp chí Quốc tế Máy cơng cụ & Sản xuất, tập 43, trang 605–615, 2003 P Colegrove người khác, "Dòng chảy chiều mơ hình nhiệt q trình hàn khuấy ma sát", Kỷ yếu Hội nghị chuyên đề quốc tế lần thứ hàn khuấy ma sát, Gothenburg, Thụy Điển, 2000 A Bejan, Heat Transfer, Wiley, 1993 Hướng dẫn mơ hình hóa MODEL WIZARD Đi tới cửa sổ Model Wizard Chọn NEXT Trong mục Add physics, chọn Heat Transfer>Heat Transfer in Solids (ht) Chọn Add Selected 5 Chọn Next Tìm Studies, chọn Preset Studies>Stationary Chọn Finish GLOBAL DEFINITIONS Parameters Trong cửa sổ Model Builder, bấm chuột phải vào Global Definitions chọn Parameters Trong cửa sổ cài đặt Parameters, định vị phần Parameters Trong bảng, nhập thiết đặt sau: Interpolation 1 Bấm chuột phải Global Definitions chọn Functions > Interpolation Trong sổ cài đặt Interpolation, định vị phần Parameters Sửa phần miền Funtion name, loại Ybar Trong bảng, nhập thiết đặt sau: t f(t) 311 339 366 394 422 450 477 533 589 644 Bấm Plot 241 238 232 223 189 138 92 34 19 12 Nếu bạn nhập số cách xác, đường cong trơng giống Hình Step 1 Bấm chuột phải vào Global Definitions chọn Funtion > Step Trong Step, bấm để mở rộng phần Smoothing Trong miền Size of transition zone, chọn GEMETRY 1 Trong cửa sổ Model Definitions chọn Function> Step Định vị phần Position Trong mục thiết lập miền x, nhập -210 Chọn Build Selected Cylinder 1 Chuột phải Geometry chọn Cylinder Trong Cylinder định vị Size and Shape Chỉnh sửa miền Radius, chọn r_shoulder Chỉnh sửa miền Height, chọn 12.7 Chọn Build Selected Cylinder Chuột phải Geometry chọn Cylinder Trong Cylinder định vị Size and Shape Chỉnh sửa miền Radius, chọn r_pin Chỉnh sửa miền Height, chọn 12.7 Chọn Build Selected Block Chuột phải Geometry chọn Block Trong Block định vị miền Size and Shape Chỉnh sửa miền Width, nhập 2*r_shoulder Chỉnh sửa miền Depth nhập r_shoulder Chỉnh sửa miền Height nhập 12.7 Định vị Position Chỉnh sửa miền x, nhập r_shoulder Chỉnh sửa miền y, nhập r_shoulder Chọn Build Selected Difference 1 Chuột phải Geometry 1, chọn Boolean Operations>Difference Trong Difference định vị phần Difference Dưới Objects cần thêm, bấm Activate Selection Chỉ chọn cyl1 cyl2 Dưới Objects cần bỏ, chọn Activate Selection Chỉ chọn blk3 Chọn Build Selected Form Union Trong Model Builde, Model 1>Geometry chuột phải Form Union chọn Build Selected Hình học mơ hình hồn thành Nhấn Zoom Extents công cụ Graphics để xem tồn hình DEFINITIONS Variables 1 Trong Model Builder Model Chuột phải Definitions chọn Variables Trong Variables định vị Geometric Entity Selection Từ danh sách Geometric entity level, chọn Boundary Chỉ chọn Boundary 14 Trong Variables định vị Variables Trong bảng, nhập thiết đặt sau : Variables 10 Trong Model Builder chuột phải Definitions chọn Variables Trong Variables định vị Geometric Entity Selection Từ danh sách Geometric entity level, chọn Boundary Chỉ chọn Boundaries 15 19 Trong Variables định vị phần Variables Trong bảng, nhập thiết đặt sau: HEAT TRANSFER IN SOLIDS Initial Values 1 Trong Model Builder mở rộng nút Model 1>Heat Transfer in Solids, sau bấm Initial Values Trong Initial Values định vị Initial Values Chỉnh sửa miền T, nhập T0 Heat Transfer in Solids 11 Lựa chọn tên miền cho mơ hình phương trình mặc định cố định cho tất miền để đảm bảo khơng có tên miền thiếu phương trình xác định Để sửa đổi mơ hình phương trình cho số miền cụ thể, bạn cần thêm nút ghi đè lên phương trình mặc định Translational Motion 1 Trong Model Builder, Model 1>Heat Transfer in Solids chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Translational Motion Trong Translational Motion định vị Translational Motion Trong bảng utrans nhập thiết đặt sau: 12 DEFINITIONS Infinite Element Domain 1 Trong Model Builder Model 1>Definitions chọn Infinite Element Domain Chỉ chọn Domains HEAT TRANSFER IN SOLIDS Surface-to-Ambient Radiation 1 Trong Model Builder,Model chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Surfaceto-Ambient Radiation Chỉ chọn Boundaries 3, 4, 8, 9, 13, 25, 2.6 Cùng với nhau, ranh giới tạo thành bề mặt hình học Trong Surface-to-Ambient Radiation định vị phần Surface-to-Ambient Radiation Từ danh sách ε, chọn User defined Trong associated nhập epsilon Trong Tamb nhập T0 13 Outflow 1 Trong Model Builder chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Outflow Chỉ chọn Boundary Heat Flux 1 Chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Heat Flux Chỉ chọn Boundaries 3, 8, 13, 25 14 Trong Heat Flux định vị phần Heat Flux Chọn Inward heat flux button Trong trường h nhập h_downside Trong Text nhập T0 Heat Flux Chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Heat Flux Chỉ chọn Boundaries 4, 9, 26 Trong Heat Flux định vị phần Heat Flux Chọn Inward heat flux button Trong trường h nhập h_upside Trong Text nhập T0 15 Heat Flux Chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Heat Flux Chỉ chọn Boundary 14 Trong Heat Flux định vị phần Heat Flux Trong trường q0 nhập q_shoulder Boundary Heat Source 16 Chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Boundary Heat Source Chỉ chọn Boundaries 15 and 19 Trong Boundary Heat Source định vị phần Boundary Heat Source Trong trường Qb nhập q_pin Temperature 1 Chuột phải Heat Transfer in Solids chọn Temperature Chỉ chọn Boundary 28 Trong Temperature định vị phần Temperature Trong trường T0 nhập T0 17 ... tích truyền nhiệt q trình hàn Mơ hình dựa báo M Song R Kovacevic Đưa vào hàn khuấy ma sát, dụng cụ quay tiến triển nối mối hàn nấu chảy nhôm qua sinh sản nhiệt ma sát Quay dụng cụ khuấy nhôm nấu... 13 MATERIALS .18 MESH 20 STUDY 21 RESULTS .21 Lời mở đầu Các nhà sản xuất sử dụng phương pháp hàn đại gọi hàn khuấy ma sát để hàn nhơm Mơ... Mơ hình hình học để hàn khuấy ma sát Phương trình sau mơ tả truyền nhiệt Là kết việc sửa chữa hệ tọa độ cơng cụ hàn, phương trình bao gồm thuật ngữ đối lưu thuật ngữ dẫn điện Phương trình ∇ ⋅ (–k∇T)