铝合金变极性等离子弧焊接应力场数值模拟

摘要

铝合金具有低密度,高比强度以及优良的加工性能等特点,已经广泛地应用在航空、航天、汽车以及船舶等工业领域。但铝合金的独特物理和化学特性已经成为其焊接的难点,作为一种针对铝合金的新型焊接方法,变极性等离子弧焊接方法已经受到广泛关注及应用。如果能将数值模拟技术成功应用在铝合金变极性等离子弧焊接工艺的制定过程中,不但可以缩短由于长时间的实验而加长的生产周期,同时还可以生产成本。
　　本文以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础,利用ANSYS有限元分析软件,采用的是以温度场为基础进行应力场计算的间接法,对铝合金变极性等离子弧焊接进行应力场的三维数值模拟。
　　首先对铝合金变极性等离子弧焊的特点进行分析,建立与实际情况相同的有限元分析模型。焊材的热物理参数均随着温度的变化而改变。由于焊缝区域的温度和残余应力较大,属于重点分析区域,因此与焊件边缘相比,焊缝区域网格划分更为细密。焊接热源采用高斯+双椭球热源模型,并通过正、反极性期间热源模型不同尺寸的循环加载,与实际焊接情况更加贴近。计算后得到焊接的温度场结果,截取不同时刻下焊接温度场的分布云图,同时获取焊件上几点的了循环曲线,综合分析在焊接过程中,整个焊件的温度变化过程以及其变化规律。
　　应力场计算沿用温度场的有限元模型,并以温度场计算结果为载荷进行求解分析。计算后得到焊接应力场结果,截取不同时刻下焊接应力场的分布云图,并通过对焊件整体以及某几个点的残余应力分析,得到焊后整体焊件的残余应力变化情况。
　　最后,本文采用YC-Ⅲ型应力测量仪对采用变极性等离子弧焊接的铝合金焊后残余应力进行测量。将实际测量结果同计算结果进行比较,发现二者数值相差较小,规律相同;证明了通过有限元计算得到的残余应力分布状态和规律是可信的。

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第一章 绪论

1.1 课题来源和研究意义

1.2 铝合金变极性等离子弧焊的发展和应用

1.3 有限元计算在焊接中的应用

1.4 焊接残余应力及其测量技术

1.5 本文主要研究内容

第二章 有限元理论在焊接中的应用

2.1 有限元方法简介

2.2 焊接温度场的理论分析

2.3 焊接应力和变形的理论基础

2.4 ANSYS软件

2.5 APDL语言

2.6 焊接温度场与应力场的计算方法

2.7 本章小结

第三章 变极性等离子弧焊温度场计算与分析

3.1 有限元模型的建立

3.2 热源模型的选取和加载

3.3 焊接温度场计算结果与分析

3.4 本章小结

第四章 变极性等离子弧焊应力场计算与分析

4.1 焊接应力场的计算

4.2 焊接应力场云图分析

4.3 焊接应力场结果分析

4.4 VPPA与TIG焊应力场结果对比

4.5 本章小结

第五章 焊接残余应力实测与计算结果对比分析

5.1 铝合金变极性等离子弧焊工艺试验

5.2 焊接残余应力的测量

5.3 本章小结

结论

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文