超大型数控剪切成套装备上刀架焊接影响因素研究

摘要

目前，随着航空航天、海工船舶、轨道交通、钢架构、工程机械和核电等领域的发展，使得对大型金属厚板坯料的加工需求呈现剧增的趋势，进而促使剪板机需求量同样剧增，同时对剪板机的加工精度及可靠性也提出了越来越高的要求。而上刀架作为剪板机的重要组成部件及直接的受力部件，其焊后性能会影响剪板机的加工精度、使用寿命以及质量安全。本文在热弹塑性有限元分析法的基础之上，在ANSYS环境下建立起上刀架三维有限元模型，采用顺序耦合的分析方式，并利用生死单元技术及APDL参数化语言编程技术对上刀架的焊接过程进行了动态仿真及探究了不同因素对其焊接过程的影响。
　　首先,本文通过对上刀架焊接过程的动态仿真，获得了上刀架在焊接过程中的温度场和自由约束状态下残余应力场的演变规律，并着重研究了上刀架立板的整体变形规律。结果表明：（1）上刀架在焊道内及热影响区域残留着高峰值的残余拉应力，且在不同方向上集中分布在不同的焊道内，最大残余拉应力值出现在纵向；（2）横向的压应力分布范围最大，最大压应力值出现在厚度方向；（3）上刀架立板在不同方向上最大变形量的分布范围大小及分布区域不同。
　　其次，在对上刀架焊接过程应力场分布规律认识的基础上，利用热弹塑性有限元法深入探究了相变、焊接速度、不同约束条件、焊接顺序等因素对上刀架的焊接应力场的影响规律，结果表明：（1）相变的发生在一定的程度上减少了上刀架上应力的存在，特别对于上刀架厚度方向上的应力值影响较大；（2）各向残余应力值与速度呈负相关关系，速度的变化对各向残余应力的值影响较大，但不改变应力的分布规律；（3）不同约束形式对焊接残余应力的影响比较复杂，对沿垂直焊缝方向的各向应力影响最大；（4）焊接顺序对上刀架上各向的残余应力值的影响不明显。
　　最后，分析研究了不同影响因素下上刀架立板的变形规律。结果表明：（1）相变不影响立板整体变形趋势，但相变使立板变形量减小；（2）速度对立板变形趋势无影响，立板各向焊接变形峰值与速度呈负相关关系；（3）三种不同约束形式下均呈现沿Y轴“上拱”弯曲变形；（4）焊接顺序对上刀架立板变形影响不明显。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 焊接热过程的特点

1.3 焊接应力及变形产生机理

1.4 焊接数值模拟研究难点

1.5 焊接数值模拟研究现状

1.6 本课题研究意义及研究内容

第二章 焊接数值模拟技术的理论分析

2.1 引言

2.2焊接温度场基本理论分析

2.3 热弹塑性分析的基本理论

2.4 本章小结

第三章 剪板机上刀架有限元建模

3.1 引言

3.2 焊接仿真有限元模型建立

3.3 材料特性参数确定

3.4 热边界条件处理

3.5 相变潜热处理

3.6 热源模型的选取

3.7 焊缝材料填充处理

3.8 本章小结

第四章 基于热弹塑性法的焊接多物理场耦合分析

4.1 引言

4.2 上刀架温度场分析

4.3 上刀架应力场分析

4.4 变形结果分析

4.5 本章小结

第五章 剪板机上刀架数值模拟不同影响因素研究

5.1 引言

5.2 相变对上刀架焊接模拟影响

5.3 焊接速度对上刀架焊接模拟影响

5.4 不同约束条件对上刀架焊接模拟影响

5.5 不同焊接顺序对上刀架焊接模拟影响

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表论文与研究成果