基于ANSYS的焊接电缆空间电磁场分布的仿真计算

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　　摘  要：为了直观地得知焊接过程中焊接电缆所产生的电磁场在空间中的分布情况，对工作中的直流弧焊机焊接电缆的工作原理进行分析，在ANSYS软件中模拟焊接工作环境，取工作时的输出电流（50A，200A），利用有限元法计算距焊接电缆不同位置的空间点的磁感应强度。在焊接过程中，输出电流的变化，对焊接电缆所产生的磁场分布产生影响，磁感应强度与电流大小成正相关;距焊接电缆的距离决定着同一输出电流时，该位置磁场强度的大小，空间场磁感应强度与距离呈负相关。利用ANSYS有限元分析方法，得到了焊接时焊接电缆所产生的空间电磁场分布特点;解决了仅依靠测量手段观测空间场的有限个点的磁感应强度，但无法得知空间场的三维分布问题。
　　关键词：ANSYS仿真;有限元法;焊接环境;空间磁场分布;磁感应强度
　　中图分类号：TP391.9       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0022-03
　　Abstract： In order to intuitively know the spatial distribution of the electromagnetic field generated by the welding cable during the welding process. Analyze the working principle of the welding cable of the DC arc welding machine at work， simulate the welding working environment in ANSYS software， take the output current （50A， 200A） during work， and use the finite element method to calculate the space points from different positions of the welding cable Magnetic induction. During the welding process， the change in output current has an effect on the magnetic field distribution generated by the welding cable. The magnetic induction strength is positively related to the magnitude of the current; the distance from the welding cable determines the magnitude of the magnetic field strength and the space field at the same output current. There is a negative correlation between magnetic induction and distance. The ANSYS finite element analysis method was used to obtain the magnetic field distribution characteristics of the space electromagnetic field generated by the welding cable during welding. It solved the problem of observing the three-dimensional distribution of the space field only by measuring the magnetic induction intensity of the finite points of the space field by means of measurement.
　　Keywords： ANSYS simulation; finite element method; welding environment; distribution of space magnetic field; magnetic flux density
　　引言
　　在有限元技術日趋完善的今天，随着计算机技术的普及和计算机速度的不断提高，有限元在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析问题的有效途径。ANSYS作为大型通用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）软件，以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点，是电磁计算的可靠工具[1-2]。
　　据统计，世界钢产量的一半以上是用焊接工艺把它制成钢制品的[3]。我国作为制造业大国，焊接技术在各行业均有大量需求。弧焊设备在工作时会产生较为复杂的电磁场，研究焊接时电磁场的分布问题，一直是焊接行业中的热点话题[4]。美国科研人员对弧焊机焊接过程中三维电磁力场进行计算，力求精确计算整个焊接中三维电流密度和磁通量密度[5];欧洲对悬挂式手操电阻焊枪焊接操作操作的电磁环境进行计算[6];北京工业大学宋永伦教授团队对于焊接时空间场的电磁环境做了测量分析[7]。
　　一直以来，对焊接过程中空间电磁场的分布情况，多借助测量手段进行研究，这只能得到有限个点的磁场分布，但是不能构建系统的三维分布模型。本文运用电磁计量学的方法，在ANSYS软件中建立焊接模型，精确直观地体现了焊接电缆产生的电磁场的空间分布特性。
　　1 实验方案 　　1.1 麦克斯韦方程组
　　ANSYS软件以麦克斯韦方程组作为电磁场分析的出发点。根据麦克斯韦方程组：
　　式中，？滋为磁导率，？着为介电常数，？滓为电导率。求解低频磁场时，用ANSYS仿真软件计算出磁场强度，根据式（5）即可求得焊接電缆所产生的磁感应强度。
　　1.2 ANSYS实现过程
　　对焊接过程焊接电缆所产生的电磁场空间分布情况的仿真，首先对电磁环境模型进行简化。将其假设为一个半径为2m，高为5m的圆柱体空气腔;取架空的一条焊接电缆，视为长直导线，导线长设置为5m，半径为0.005m。实验模型包括工件（焊接电缆）以及周围的介质（如空气）。我们对空气介质逐层建立，依次为距焊接电缆5cm、10cm、20cm、50cm的实验空气层。
　　利用ANSYS有限元软件的低频电磁场分析功能，对实验环境模型进行有限元网格划分，剖分后网格单元数量在270多万个，施加电流载荷并设置边界条件，选择低频静态磁场分析功能对焊接电流谐波产生的磁场分量进行分析计算，由于网格数量较多，计算量较大，在进行求解时，计算机存储容量需在16GB以上，计算时间需0.5h以上，最后得到电缆周围的磁感应强度值。
　　2 仿真结果分析
　　焊接时，焊条根据其焊芯的大小，通常分为2mm、2.5mm、3.2mm、4mm、5mm、6mm这几种，其对应的电流分别为50～80A、100～130A、160～200A区间内，故我们选用50A和200A这两个电流区间的始末点进行研究。
　　实验结果表明，当输出电流为50A，焊接电缆产生的电磁场的磁感应强度最大值在5.3？滋T，随着据焊接电缆距离的变化，当离焊接电缆的距离越来越远时，磁感应强度在逐渐减小，当据焊接电缆距离为50cm时，磁感应强度仅为0.0064？滋T。如图1所示，左上为输出电流为50A时，距离焊接电缆为0-5cm的空间内的磁场分布图，右上为输出电流为50A时，距离焊接电缆为5-10cm的空间内的磁场分布图，左下为输出电流为50A时，距离焊接电缆为10-20cm的空间内的磁场分布图，右下为输出电流为50A时，距离焊接电缆为0-5cm的空间内的磁场分布图，我们可以根据此图直观的看到随距离变化空间磁场的变化情况。
　　根据仿真结果显示，当电流载荷加为200A时，得出磁感应强度为21.3？滋T，随着据焊接电缆距离的变化，当离焊接电缆的距离越来越远时，磁感应强度在逐渐减小，当据焊接电缆距离为50cm时，磁感应强度仅为0.0259？滋T。模拟结果分布图见图2所示（位置变化规律同上）。
　　3 结论
　　（1）从实验结果看，焊接时，直流弧焊机输出电流达到50A时，在距焊接电缆0cm处，空间场的磁感应强度在5.3？滋T，随着距离焊接电缆的位置的变化，在距焊接电缆5cm处，磁感应强度骤降为0.64？滋T，在距焊接电缆10cm处，磁感应强度减小为0.41？滋T，在距焊接电缆20cm处，磁感应强度为0.19？滋T，到更远的50cm处，磁感应强度变为0.0064？滋T，几乎可以忽略不记。直流弧焊机输出电流达到200A时，在距焊接电缆0cm处，空间场的磁感应强度在21.3？滋T，随着距离焊接电缆的位置的变化，在距焊接电缆10cm处，磁感应强度仅为0.76？滋T，更远则磁场感应强度更小。我们可以根据以上规律，做出焊接电缆电磁场空间分布特性曲线。点线图如图3所示。
　　（2）前人对于焊接操作的空间磁场分布情况的研究是基于实地测量的方法，测量时只能选取有限点进行测量计算，并不能实际反应磁场的分布情况。本文运用ANSYS软件，设计焊接环境模型，采用有限元分析方法，系统详尽地绘制了空间磁场三维分布云图，更直观地体现了空间磁场的分布情况。
　　参考文献：
　　[1]蓝宇，张连杰.大型有限元分析软件ANSYS[J].应用科技，2000（06）：11-12+15.
　　[2]Tadeusz Stolarski，Y. Nakasone，S. Yoshimoto. Engineering Analysis with ANSYS Software， Second Edition [M]. Cambridge， United Kingdom.
　　[3]刘成龙.逆变式焊机的应用与发展[J].科技信息（科学教研），2007（30）：43.
　　[4]Jorgen H，Henrik Exposure of welders and other metal workers to ELF magnetic fields[J].Bioeletron gnetics，1997，18（7）：470-477.
　　[5]Kamil. J. Ali. "MEASUREMENT OF MAGNETIC FIELDS EMITTED FROM WELDING MACHINES， in Diyala Journal of Engineering Sciences， v Vol. 05， No. 02， pp. 114-128.
　　[6]P. Zradziński. A comparison of ICNIRP and IEEE guidelines to evaluate low frequency magnetic field localised exposure，" 2016 17th International Conference Computational Problems of Electrical Engineering （CPEE）， Sandomierz， 2016， pp. 1-4.
　　[7]张军，王世莹，宋永伦.逆变弧焊电源低频磁场辐射的分析[J].焊接学报，2010，31（04）：13-16+113.
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