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T型接头焊接温度场与应力场的数值模拟

专 业: 机械制造及其自动化
关键词: T型接头 焊接 有限元 数值模拟 温度场 应力
分类号: TG402
形 态: 共 84 页 约 55,020 个字 约 2.632 M内容
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内容摘要


焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。

焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。

一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。

T型接头焊接件是焊接结构中常见的。

目前,船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉、立体车库等工业产品,以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构,无一不用到T型接头焊接结构。

但其焊接温度场、热应力场、热变形比厚板对接焊构件要复杂得多,而且也没有对称性。

目前在T型接头焊接方面的数值模拟研究相对较少,而实际应用中很多情况下对T型接头的焊接质量要求非常高,特别是对大型构件,焊接质量的好坏不仅影响经济效益而且有时直接关系到生命安全,因此深入这方面的数值模拟研究工作很有必要。

本文以热一弹塑性理论为基础,利用有限元软件ANSYS对T型接头焊接件的焊接温度场与焊接应力场进行三维数值模拟仿真,得到焊件任何时刻的焊接温度场、焊接过程应力场的变化及焊件冷却后的残余应力,并且比较了不同焊接速度对焊接温度场的影响。

本文主要做了如下几个方面的研究工作:1.建立了T型接头焊接温度场和焊接应力应变场三维移动热源有限元分析模型。

为了提高计算精度,本文考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度的变化;采用过渡网格划分形式划分网格以保证焊缝处网格足够细小,选取适当的计算时间步长,采用单元生死技术模拟焊接熔敷过程。

2.虽然焊接温度场与应力应变场是双向耦合的,但由于应力应变场对温度场的影响非常小,加上计算条件的限制,所以本文只考虑温度场对应力应变场的影响这一单项耦合。

在模拟计算时,采用间接法,先计算温度场,再进行焊接应力和应变的计算。

这样可以节省大量的时间,使计算较为合理、高效。

3.对不同时刻的焊接温度场分布情况以及不同点的热循环曲线进行分析,比较了不同焊接速度下的温度场分布及特定点的热循环。

得出焊接速度对焊接接头及热影响区的影响,为焊接工艺改进提供了重要的依据。

并对焊接应力场进行分析,得出焊接残余应力分布规律,为焊接结构的优化设计提供了重要的依据..……

全文目录


摘要
目录
第1章 绪论
1.1 选题的背景
1.2 焊接数值模拟的国内外研究概况
1.2.1 焊接瞬态温度场有限元分析的研究进展
1.2.2 焊接应力应变场有限元分析的研究进展
1.3 有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展
1.4 存在的一些问题
1.5 课题研究的意义
1.6 本文的研究方法和主要内容
1.7 论文各章的内容简介
1.8 本章小结
第2章 焊接过程有限元分析理论
2.1 有限元方法简介
2.2 焊接过程有限元分析的特点
2.3 焊接有限元模型的简化
2.4 焊接温度场的分析理论
2.4.1 焊接传热的基本形式
2.4.2 焊接温度场的基本方程
2.4.3 非线性瞬态热传导的有限元分析
2.4.3.1 空间域的离散
2.4.3.2 时间域的离散
2.4.3.3 非线性热传导方程的解法
2.5 焊接应力和变形的分析理论
2.5.1 屈服准则
2.5.2 流动准则
2.5.3 强化准则
2.5.4 焊接热弹塑性理论
2.5.4.1 应力应变关系
2.5.4.2 平衡方程
2.5.4.3 热弹塑性问题的求解
2.6 ANSYS软件的基础
2.6.1 ANSYS软件结构
2.6.2 APDL语言简介
2.7 本章小结
第3章 T型接头焊接温度场及应力场数值模拟
3.1 焊接温度场与应力场的计算方法
3.2 温度场的计算
3.2.1 建模
3.2.1.1 几何模型的确定
3.2.1.2 定义材料属性
3.2.1.3 确定单元类型及划分网格
3.2.2 焊接热源载荷的施加
3.2.2.1 生死单元技术
3.2.2.2 热源的选取
3.2.2.3 热源功率的确定
3.2.2.4 热源的移动
3.2.3 温度场的求解
3.2.3.1 设定载荷步选项
3.2.3.2 本课题中时间步长的确定和求解计算
3.2.3.3 设定瞬态积分参数和使用线性搜索
3.2.4 主要求解命令流解析
3.3 焊接过程应力应变场的模拟分析
3.4 本章小结
第4章 焊接温度场计算结果分析
4.1 温度场及应力场后处理
4.2 焊接过程中温度场的分布
4.3 焊接温度场的结果分析
4.3.1 移动热源不同时刻温度场的分布
4.3.2 温度场的模拟数据
4.3.3 焊件上各点的温度时间变化历程
4.4 本章小结
第5章 焊接应力计算结果分析
5.1 焊接过程中的应力分布讨论
5.2 焊接残余应力结果分析
5.3 本章小结
第6章 总结和展望
6.1 全文总结
6.2 研究展望
参考文献

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中图分类: > TG402 > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接一般性问题 > 焊接传热过程

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