电子束焊接用电子枪聚焦系统数值模拟研究(2)
以往研究焊接技术问题时，传统的方法是采用试验手段，其模式为“理论—试验—生产”，但大量的焊接试验增加了生产的成本，费时费力，尤其是在对电子束焊接电子枪的研究中，焊接需要抽真空，一遍一遍的试验以及大量的计算不仅不易于实现，时间及经济成本高，而且试验结果的可靠性受到质疑。随着现代计算机软硬件技术的飞快发展，使得虚拟工程技术迅速进步，其中就包括数值模拟技术。数值模拟是依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像处理的技术，对工程及物理问题乃至自然界各种各样的问题进行研究。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验，就像做实验一样，数值模拟也有一定的步骤：首先要建立反映问题本质的数学模型。这是数值模拟的出发点。数学模型建立之后面临的问题就是寻求计算迅速准确的方法。随着计算机的发展，目前已经拥有很多种数值计算的方法。计算方法和坐标系确定后，就可以着手计算程序的编制和并进行计算。实际情况表明这部分工作是整个工作的重点，占模拟过程的绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，因此我们需要通过实验来验证模拟得到的结果。在计算基本完成后，大量数据就能通过图像形象具体地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。随着图像处理技术的成熟，模拟的水平也越来越高，越来越逼真。
数值模拟在带电粒子的部件及系统的设计和优化方面发挥着重要作用，它使降低完善系统以及优化工作条件的成本成为可能。电子枪的数值模拟属于当前学科前沿领域之一。电子枪的数值模拟促进了电子束焊接研究的模式朝“理论—数值模拟—生产”发展，使得电子束聚焦系统的研究更为简单方便，为获得优化的电子枪结构和焊接参数创造了条件[4]。
总体上而言，随着计算机软硬件的技术进步，数值模拟在焊接领域的应用变得比较普遍。各种有限元软件的慢慢成熟，使研究不再只是一遍一遍地实验，大大减少了科研的成本及工作量。电子束焊接的研究及优化也充分利用了各种有限元软件，在电子束聚焦数值模拟上已经取得了一定的成果。但是，目前国内外数值模拟主要集中在应力场及温度场的研究，对电磁场的数值分析还比较薄弱，而电子束聚焦系统数值模拟对电磁场的数值分析比较多，因此，要根据电子束聚焦系统的特点，选择性考虑各因素的影响，比较准确地对电子束聚焦系统进行数值模拟。
本课题针对电子束焊机的电子枪的电磁聚焦技术问题，采用CST等有限元软件，模拟分析电子枪阴极的电子发射、偏压杯的电场分布、束流的电聚焦特性，通过模拟不同结构的偏压杯，优化电子枪的聚焦性能，获得较好的束流品质，提高焊接质量。首先要解决的问题就是如何利用有限元软件建立电子束焊机的电子枪静电聚焦三文结构模型和有限元模型。数值模拟虽然很方便进行各种计算，但是，对那些次要因素进行大规模的分析模拟无疑得不偿失，因此我们应考虑主要因素对电子束聚焦的影响，忽略那些次要因素，从而简化计算。本课题主要模拟了一种电子枪结构，研究了阴极温度、阴极距离及偏压大小的改变对束流大小的影响，主要分析了不同聚焦电流对聚焦效果的影响。
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