不同约束下机车变压器箱型结构件焊接数值模拟研究

摘要

科学技术飞速发展的今天，焊接技术已经成为一个重要的课题。随着焊接技术的不断更新发展，焊接构件的形式也越来越多样化，越来越复杂化，箱型结构件就是其中常见一种。箱型结构件在日常生活各领域中都有出现，尤其是工程机械领域。由于在焊接过程中，焊接构件的受热不均匀，导致箱型结构产生残余应力和变形。然而焊接残余应力会影响焊接件的刚度和稳定性，进而降低焊接构件的载重能力，焊接变形则会改变焊件的结构尺寸和形状，从而也会影响焊接件的质量，因此，对焊接残余应力与变形的研究就成为了焊接领域中一重大课题，对实际工程具有重要指导意义。 国内外学者就焊接残余应力与变形问题的研究非常之多，并取得了不少研究成果。但学者们研究的方法主要可以分为三种:经验法、解析法及数值模拟法。随着数值计算技术的发展，有限元软件的开发，有限元法在焊接研究方面已经占据了主导地位。本文简述了国内外焊接数值模拟研究的发展现状及难题，并详细地论述了焊接有限元分析理论，在此基础上，利用有限元分析软件ANSYS，以热弹塑性有限元理论及热-结构耦合理论为基础，实现了对箱型结构件的焊接残余应力与变形的数值模拟。本文的主要工作内容如下: 1)对四种不同约束下平板对接焊接温度场和应力场进行了数值模拟，得到了四种不同约束方案下的温度场和应力场，并进行对比，同时对波浪式变形进行分析。发现了自由状态下Y方向变形量最大，其最大的变形量为2mm。 2)对四种不同约束下的T型接头焊接过程进行了模拟，得到四种方案下的温度场与应力场，并进行对比，同时分析了T型接头焊接的角变形。腹板上的变形较为明显，方案甲中变形最大，其垂直焊缝方向AC边上最大变形量为0.35mm。 3)对三种不同约束下箱型结构焊接温度场和应力场进行了数值模拟，得到了三种不同约束下整个箱型构件的温度场与应力场，并对焊接应力和变形进行对比分析。箱型结构件在焊接后发生类似“上拱”的变形，最大变形量出现在盖板中间位置，方案Ⅰ最大变形量为2.14mm，方案Ⅱ最大变形量为1.986mm，方案Ⅲ最大变形量为1.862mm。 4)对两种不同焊接顺序下的箱型结构焊接温度场和应力场进行了数值模拟，得到了两种方案下的焊接温度场与应力场的分布，并对冷却后残余应力和变形进行对比分析。方案二的变形量要明显大于方案一的变形量，其最大变形量为2.19mm。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 焊接数值模拟技术的发展动态

1．2．1 焊接热分析的发展动态

1．2．2 焊接应力场分析的发展动态

1．3 焊接变形的数值模拟研究方法

1．4 数值模拟在大型结构焊接变形中的研究进展

1．5 焊接过程数值模拟的技术难点

1．6 不同约束下焊接数值模拟

1．7 本文主要的研究内容

2 焊接有限元分析理论

2．1 有限元法概述

2．2 焊接过程有限元分析特点

2．3 焊接热力学理论基础

2．3．1 热传导问题的基本方程

2．3．2 非线性瞬态热传导的有限元分析

2．3．3 焊接热源模型

2．4 焊接应力场的数值模拟

2．4．1 焊接热弹塑性分析理论

2．4．2 焊接热弹塑性分析方法

2．5 基于ANSYS软件的模拟分析

2．6 本章小结

3 不同约束下平板对接焊接应力与变形的数值模拟

3．1 有限元模型

3．1．1 模型的建立与网格划分

3．1．2 材料参数的确定

3．1．3 焊接工艺参数及初始边界条件

3．2 温度场的模拟及分析

3．2．1 整体温度场分布

3．2．2 温度循环曲线分析

3．3 应力场的模拟

3．4 应力与变形的模拟结果对比

3．4．1 应力场结果对比

3．4．2 变形结果对比

3．5 本章小结

4 不同约束下T型接头焊接应力与变形的数值模拟

4．1 有限元模型

4．1．1 模型的建立与网格划分

4．1．2 材料参数的确定

4．1．3 焊接工艺参数及初始边界条件

4．2 温度场的模拟

4．2．1 整体温度场分布

4．2．2 温度循环曲线分析

4．3 应力场的模拟

4．4 应力与变形的结果对比

4．4．1 应力场结果对比

4．4．2 变形结果对比

4．5 本章结论

5 不同约束下箱型结构焊接应力与变形的数值模拟

5．1 箱型结构件的实体模型

5．2 箱型结构件的有限元模型

5．3 焊接工艺参数选取及边界条件设置

5．4 多层焊接焊缝填充模拟过程

5．5 箱型结构件温度场模拟与分析

5．5．1 温度场求解设置

5．5．2 温度场的分布

5．5．3 温度循环曲线分析

5．6 箱型结构件应力场的模拟

5．6．1 约束方式设置

5．6．2 应力场模拟结果对比

5．7 箱型结构件变形结果对比

5．7．1 箱型构件的变形形式

5．7．2 变形量的比较

5．8 同种约束下不同焊接顺序对箱型结构件焊接应力与变形的影响

5．8．1 研究方法

5．8．2 温度场结果对比

5．8．3 应力场结果对比

5．8．4 变形结果对比

5．9 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢