基于有限元法的推铲焊接残余应力的分析

摘要

在焊接过程中由于急剧的非平衡加热及冷却,焊接构件将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。然而焊后变形矫正,既不经济又严重伤害其工作可靠性。因此,科学地、定量地预测焊接变形规律,并在此基础上给予控制,对指导焊接制造工艺具有重要的工程意义。
　　 本研究主要包括以下几个方面：⑴由于推铲的焊缝比较多,以及焊接时间长,因此焊接顺序对残余应力产生的影响极大,本文以推铲焊接为例,首先制定了两种焊接顺序,并根据中性轴对焊接的影响,分析和制定出第三种焊接顺序。⑵采用有限元分析软件ANSYS对焊接过程产生的应力场和变形进行了模拟研究,建立推铲焊件的有限元模型,利用生死单元法模拟焊接过程。对三种不同的焊接顺序进行有限元模拟,得到不同焊接顺序下的焊接残余应力分布及焊接变形。⑶对推铲按照三种焊接顺序进行焊接,并对焊接冷却后的推铲运用了平尺以及高精度三坐标测量仪对三种焊接顺序焊接后的推铲进行实物测量,分析它们的焊接变形情况。⑷最后本文对三种焊接顺序下的有限元模拟结果与实验测量结果进行了比较和分析,结果显示仿真结果与实验测量结果相吻合。证明了中性轴对焊接顺序选择与优化的重要性,具有一定的应用价值。通过研究和实例验证,本文建立了可行的推铲焊接残余应力的动态模拟分析方法,为复杂焊接结构进行三维焊接残余应力和变形的分析提供了理论和指导。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 焊接残余应力和变形概述

1.2.1 焊接残余应力的概念

1.2.2 焊接残余应力产生的原因

1.2.3 焊接应力和变形产生模型

1.3 国内外对焊接应力和应变的发展状况

1.3.1 国外对焊接应力与应变的研究

1.3.2 国内对焊接应力变形的研究

1.4 研究内容及意义

1.5 本章小结

第二章 推铲焊接顺序的制定及其优化

2.1 研究对象的介绍

2.2 推铲的焊接顺序的制定

2.3 基于中性轴的焊接顺序的优化

2.3.1 中性轴的定义

2.3.2 中性轴在焊接中的应用

2.3.3 推铲焊接顺序的优化

2.4 本章小结

第三章 推铲的实验结果的测量与分析

3.1 推铲的焊接实验

3.2 三坐标测量仪

3.2.1 三坐标工作原理

3.2.2 三坐标功能和测量方法

3.3 方案一的实验测量结果

3.3.1 方案一的平尺测量结果

3.3.2 方案一的三坐标测量结果

3.4 方案二的实验测量结果

3.4.1 方案二的平尺测量结果

3.4.2 方案二的三坐标测量结果

3.5.方案三的实验测量结果

3.5.1 方案三的平尺测量结果

3.5.2 方案三的三坐标测量结果

3.6 本章小结

第四章 推铲的有限元数值模拟

4.1 有限元方法介绍

4.2 应力与应变有限元理论

4.2.1 热弹塑性分析的特点和假定

4.2.2 弹性区的应力应变关系

4.2.3 塑性区的应力应变关系

4.3 推铲焊接应力和位移的有限元计算

4.3.1 推铲有限元模型的建立

4.3.2 定义材料单元属性

4.3.3 网格划分

4.3.4 高斯热源的加载

4.3.5 定义边界条件和施加载荷

4.3.6 分析求解

4.4.推铲的ANSYS应力场和位移场分析

4.4.1 方案一的推铲的应力和位移计算

4.4.2 方案一的推铲应力场和位移场计算结果分析

4.4.3 方案二的推铲的应力和位移计算

4.4.4 方案二焊接应力场和位移场计算结果分析

4.4.5 方案三的推铲的应力和位移计算

4.4.6 方案三焊接应力场和位移场计算结果分析

4.5 本章小结

第五章 实验与仿真结果分析

5.1 实验与仿真结果分析

5.2 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论文

致谢