TBM主梁焊接工艺过程数值模拟的研究

摘要

TBM广泛应用于隧道掘进工程中，主梁作为 TBM主机的关键组成部分，承受着刀盘传递过来的力和扭矩，并将其传递到撑靴上，可以说主梁质量的好坏直接影响隧道挖掘的进度和质量。
　　TBM主梁是典型的箱型梁结构，通过焊接制造完成，在焊接完成后不可避免的会产生残余应力及不可忽视的焊接变形，对主梁以及TBM整体的工作性能和使用寿命有着很大影响。以往人们通过试验方法来研究焊接工艺，方法复杂而且消耗较大，进入二十一世纪以来，利用数值模拟的方法对焊接工艺进行研究得到了广泛的开展。本文利用有限元软件ANSYS，选取主梁在实际工况下应力较为集中的部分作为研究对象，并将该部分提取出来建立简化的有限元模型，基于有限元以及热弹塑性等相关理论，对不同的焊接工艺方案进行数值模拟，并得出了温度场、应力场分布变化以及最终的残余应力和变形情况，并加以实验佐证。主要包括以下内容：
　　（1）TBM主梁焊接部位的选取：利用有限元软件ANSYS Workbench对TBM主梁施加实际工作载荷，进行静力学有限元分析，以找出应力较为集中的部分，并以此部分作为焊接工艺的研究对象。
　　（2）焊接数值模拟有限元模型的建立：根据实际焊接工艺，选择主梁顶板与腹板的典型焊接结构作为分析对象，利用有限元软件ANSYS的参数化编程语言建立了包含多层多道焊的焊接部位有限元模型。
　　（3）焊接温度场数值模拟：确定焊接工艺方案和工艺参数，在 ANSYS中对焊接过程进行仿真，得到温度场的分布变化规律并分析讨论。
　　（4）焊接应力应变场的数值模拟：通过热-应力耦合的分析流程，以温度场分析结果作为基础，对不同焊接工艺顺序进行模拟，得到应力应变场结果并对比讨论，为实际焊接工艺顺序的选择提供一定的理论基础。
　　（5）采用盲孔法对口字型焊接样件残余应力进行测量，并与数值模拟结果进行对比，以验证模拟结果的合理性，从侧面证明焊接顺序方案选择的合理性。

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1 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 全断面掘进机的介绍

1.3 焊接数值模拟研究现状

1.4 本文研究内容

1.5 本章小结

2 焊接过程有限元分析理论

2.1 焊接温度场有限元理论

2.2 焊接热应力场有限元理论

2.3 热弹塑性基本理论

2.3 本章小结

3 TBM主梁焊接有限元模型的建立

3.1 TBM主梁受力的有限元分析

3.2 有限元模型的建立与网格划分

3.3 材料热特性参数的选取

3.4 选取热源模型

3.5 本章小结

4 焊接温度场的数值模拟

4.1 有限元模型以及边界条件的考虑与处理

4.2 有限元模型中多道焊移动热源的加载

4.3 焊接温度场的求解

4.4 焊接温度场的后处理及结果分析

4.5 本章小结

5 焊接应力应变场的数值模拟

5.1 应力应变的计算方法

5.2 应力场的计算及后处理

5.3 焊接变形的结果及分析

5.4 本章小结

6 焊接残余应力的实验研究

6.1焊接实验

6.2 盲孔法测量残余应力的基本原理

6.3 残余应力测量实验

6.4 实验结果分析

6.5 本章小结

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢