基于FLUENT對(duì)鉛酸蓄電池簡(jiǎn)化匯流排鑄焊過(guò)程的數(shù)值模擬

□ 毛偉祥 □ 王秀梅 □ 梁 異

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

1 FLUENT在合金凝固過(guò)程中的應(yīng)用及軟件簡(jiǎn)介

1.1 FLUENT在合金凝固過(guò)程中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以鑄件合金凝固過(guò)程溫度變化規(guī)律為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1～3］。這種方法不僅可以預(yù)測(cè)與鑄件溫度場(chǎng)有關(guān)的宏觀缺陷，還可以對(duì)鑄焊工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高鑄件的質(zhì)量，減少?gòu)U品率，縮短生產(chǎn)周期，進(jìn)而降低生產(chǎn)及設(shè)計(jì)成本。

1.2 FLUENT軟件簡(jiǎn)介

FLUENT是一款用于模擬和分析特定區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)，以及大部分伴隨流動(dòng)過(guò)程所同時(shí)發(fā)生現(xiàn)象的專用 CFD軟件［4］，它具有靈活多樣的流體模型求解方法和靈活的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及基于求解精度的自適應(yīng)網(wǎng)格。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格的加速收斂技術(shù)，因此使其在流體計(jì)算領(lǐng)域中具有較優(yōu)的計(jì)算速度及求解精度。

FLUENT無(wú)論是從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，只要是涉及流動(dòng)、傳熱、相變、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、多相流等內(nèi)容的問(wèn)題都可進(jìn)行模擬分析。作為目前全球市場(chǎng)占有率最大的 CFD軟件，F(xiàn)LUENT在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、船舶、機(jī)械、能源動(dòng)力、化工、環(huán)境、電子、噪聲、材料加工、生物醫(yī)藥、土木工程、環(huán)境工程、燃料電池等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用［5］。

FLUENT與傳統(tǒng)CFD軟件相比，主要具有三方面優(yōu)點(diǎn)。

（1）功能強(qiáng)，適用面廣。包括各種優(yōu)化物理模型、輻射模型、相變模型、離散相變模型、多相流模型、反應(yīng)流模型及化學(xué)組分輸運(yùn)等。

（2）高效，省時(shí)。FLUENT將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來(lái) ，成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群 ，軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入重復(fù)和低效的勞動(dòng)，可以將主要精力和智慧用于物理問(wèn)題本身的探索上。

（3）計(jì)算精度更高。

2 模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型的建立

此模型采用目前機(jī)械CAD/CAM/CAE領(lǐng)域主流的產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維建模軟件UG8.0對(duì)所需的模型進(jìn)行參數(shù)化建模，整個(gè)模型包括1個(gè)匯流排和6個(gè)極耳組成，如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

筆者所使用的是ANSYS集成的MESH組件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在MESH組件中，可以根據(jù)不同的物理場(chǎng)和求解器生成網(wǎng)格，而物理場(chǎng)有流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)和電磁場(chǎng)。流場(chǎng)求解又可以采用 FLUENT、CFX、POLYFLOW，結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解可以采用顯示動(dòng)力算法或隱式算法，不同的物理場(chǎng)對(duì)網(wǎng)格的要求也不一樣，通常流場(chǎng)的網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)場(chǎng)要細(xì)密得多，因此選擇不同的物理場(chǎng)也會(huì)有不同的網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格劃分采用基于FLUENT求解器劃分方法。為了提高計(jì)算精度，對(duì)極耳和匯流排分別采用了Sweep（掃掠網(wǎng)格）和Hex Dominant（六面體域網(wǎng)格）的方法對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其形成的網(wǎng)格大部分為六面體。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示，其單元總數(shù)為118 374，網(wǎng)格的質(zhì)量好壞平均為0.809。

▲圖1 三維模型

▲圖2 劃分網(wǎng)格后的模型

3 模擬計(jì)算

3.1 求解器簡(jiǎn)介

主要使用的軟件為大型通用數(shù)值模擬軟件ANSYS中的FLUENT求解器，對(duì)簡(jiǎn)化的鉛酸蓄電池匯流排和極耳的鑄焊過(guò)程進(jìn)行模擬。

3.2 工藝參數(shù)

本文將討論以下鉛合金［6］。

鉛鈣合金，其特征成分為 0.063%Ca、0.58%Sn、0.015%Al，其熔點(diǎn)為 327℃。

鉛錫合金，其特征成分為 2%Sn、0.25%Se，其固相線為316℃，液相線為322℃。

極耳采用鉛鈣合金，匯流排采用鉛錫合金。鉛的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

3.3 計(jì)算設(shè)置

為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，作以下假設(shè)：

①液體金屬瞬間充滿型腔；

②忽略匯流排和極耳與空氣的換熱；

③匯流排與模具間換熱系數(shù)不變。

在基于FLUENT軟件的整個(gè)鑄焊模擬過(guò)程中，首先通過(guò)選擇能量及凝固選項(xiàng)，設(shè)置合理的數(shù)值模擬計(jì)算公式，施加匯流排、極耳的材料屬性和計(jì)算邊界條件，然后對(duì)計(jì)算域進(jìn)行初始化等操作，最終對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，具體操作過(guò)程如下。

（1）進(jìn)入 ANSYS15.0軟件包，選擇 ANSYS Workbench進(jìn)入Workbench界面，然后在左邊的工具箱中找到FLUENT工具，雙擊打開(kāi)FLUENT求解器。

（2）在Workbench界面設(shè)置保存路徑，對(duì)文件進(jìn)行保存。

（3）在FLUENT工具條的第三項(xiàng)MESH中，右擊導(dǎo)入提前劃分好的mesh文件，從而完成網(wǎng)格文件讀取到FLUENT求解器。

（4）進(jìn)入FLUENT求解器界面，首先在General選項(xiàng)設(shè)置。在“Scale”選項(xiàng)卡中，將幾何模型尺寸更改為毫米；求解器設(shè)置中選擇壓力基準(zhǔn)求解器，類型設(shè)為瞬態(tài)計(jì)算；在重力設(shè)置中輸入Z方向加速度為-9.8m/s2，X、Z方向?yàn)?0，并改變溫度單位為℃。

表1 鉛的物理性質(zhì)

（5）物理模型設(shè)置。選擇 Energy能量模型，求解能量守恒方程；選擇 Solidification&Melting融合凝固模型，其它保持不變。

（6）材料屬性設(shè)置。點(diǎn)擊 Fluid創(chuàng)建鉛錫合金和鉛鈣合金的材料屬性，其中熱物性參數(shù)均按多線性形式設(shè)置，保證計(jì)算的精確性。

（7）域條件的設(shè)置。在 Cell Zone Conditions域條件設(shè)置中，選擇當(dāng)前域類型為流體域。

（8）邊界條件設(shè)置。對(duì)外壁面邊界進(jìn)行溫度設(shè)置，其傳熱系數(shù)為 1 700 W/（m2·K）［6］，溫度為 150 ℃，設(shè)置對(duì)流傳熱模式。

（9）計(jì)算方法選擇。在 Solution Methods中設(shè)置合理的計(jì)算方法及精度。

（10）松弛因子設(shè)置。在 Solution Controls中，根據(jù)計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間的限制，設(shè)置合理的欠松弛因子，通常情況下一般采用默認(rèn)值進(jìn)行計(jì)算。

（11）分別設(shè)置匯流排和極耳的液體組分的監(jiān)控。

（12）初始條件的設(shè)置。在 Solution Initialization中，對(duì)整個(gè)域進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置極耳溫度為25℃，匯流排溫度為450℃。

（13）結(jié)果保存設(shè)置。在 Calculation Activities中，設(shè)置每 2個(gè)載荷步保存一次結(jié)果文件，同時(shí)在Solution Animations中，設(shè)置每經(jīng)歷2個(gè)載荷步保存一次溫度場(chǎng)和液體組分的結(jié)果圖片，以便在計(jì)算中實(shí)時(shí)觀察計(jì)算情況。

（14）計(jì)算。在Run Calculation中，選擇載荷步形式為變載荷步形式，初始載荷步長(zhǎng)度設(shè)置為0.01 s，總載荷步數(shù)設(shè)置為2 000步，點(diǎn)擊“Calculation”按鈕開(kāi)始計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖4為匯流排和極耳中心點(diǎn)（圖3中十字點(diǎn)）溫度時(shí)間曲線的求解結(jié)果。

從圖4可知，對(duì)于鉛鈣合金極耳和鉛錫合金匯流排，模擬開(kāi)始后匯流排溫度迅速下降，極耳溫度迅速上升至熔點(diǎn)，在接近 1 s時(shí)進(jìn)入半液半固區(qū)域，并維持了約 2 s，從而使極耳與匯流排更有效地融合，得到更好的焊接接頭質(zhì)量，圖中溫度曲線的平臺(tái)區(qū)是由于凝固潛熱的釋放而形成。

模擬并對(duì)極耳和匯流排的液體組分進(jìn)行監(jiān)控，其監(jiān)控結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

由圖5可知，在模擬開(kāi)始后，極耳在插入?yún)R流排中的部分迅速融化，其比例接近了極耳總體積的14%，而其插入?yún)R流排的比例為21%，表明并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)融情況。下面分別列舉以下時(shí)間點(diǎn)的極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖，如圖7～圖14所示。

由云圖可知，極耳在0～0.3 s之內(nèi)插入?yún)R流排的部分迅速融化為液態(tài)，而匯流排則幾乎沒(méi)有變化。0.3 s之后，由于來(lái)自于模具的冷卻以及極耳融化吸收的熱量，導(dǎo)致匯流排在0.3～3 s內(nèi)全部凝固為固體，最終和融化的極耳融為一體。

5 結(jié)論

▲圖3 匯流排-極耳示意圖

▲圖4 極耳和匯流排溫度曲線

▲圖5 極耳液體組分隨時(shí)間的變化

▲圖6 匯流排液體組分隨時(shí)間的變化

▲圖7 0.02 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖8 0.06 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖9 0.12 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖10 0.18 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖11 0.30 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖12 1.0 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖13 1.7 s極耳匯流排中截面的液態(tài)組分云圖

▲圖14 3.0 s極耳匯流排的液態(tài)組分云圖

筆者分析了主流CFD軟件—FLUENT軟件的主要特點(diǎn)和應(yīng)用，用FLUENT對(duì)鉛酸蓄電池匯流排鑄焊過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。并對(duì)鑄焊過(guò)程中的匯流排和極耳的中點(diǎn)做了溫度監(jiān)控，以及分別對(duì)匯流排和極耳中液態(tài)組分隨時(shí)間變化進(jìn)行了監(jiān)控。通過(guò)模擬可知，F(xiàn)LUENT能夠很好地用于合金凝固的過(guò)程分析，并且對(duì)于一般的模擬過(guò)程無(wú)需編程，可以省去大量的時(shí)間用于優(yōu)化算法的選用、參數(shù)的確定，從而很好地提高了工作效率。

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