基于SYSWELD的三维瞬态GTAW温度场与应力场的有限元分析

摘要

钨极氩弧焊焊接温度场数值模拟的关键是选择合适的热源作用模式。本文采用双椭球体热源分布模型，基于SYSWELD软件平台，建立了运动电弧作用下的三维瞬态GTAW焊接不锈钢薄板时焊接热过程的有限元数值分析模型。该模型采用移动体热源热流分布，综合考虑在电弧热流的作用下焊接温度场-熔池形状所发生的变化，以及熔池表面蒸发散热、熔池内部对流散热、熔池固-液界面的相变潜热等多种因素。 利用所建模型，对GTAW焊接温度场及熔池形状进行了数值模拟，以加深对焊接熔池内传热过程的理解，为得到高质量的不锈钢GTAW焊缝以及该工艺的焊接过程控制智能化提供理论依据。结合SYSWELD本身的特点，设置多种不同的边界条件。兼顾计算精度和计算效率，采用均匀和非均匀两种网格。 数值模拟结果展示了不锈钢试件GTAW瞬态熔池的演变过程。利用所建模型，分析了引弧之后，焊接熔池形成、长大、达到准稳态的动态变化过程，以及工件温度场的变化过程，预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变。根据数值模拟结果定量地分析了焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度)对熔池形状及工件温度场的影响规律。 进行了不锈钢薄板GTAW工艺试验，通过焊接过程中拍摄GTAW熔池图像，提取熔池形状参数，对所建立的模型进行了试验验证。结果表明达到宏观准稳态时计算所得的焊缝横断面熔合线在工件内部的形状和走向以及熔池长度和宽度与实验结果基本吻合。 利用所获得的温度场数据对应力、应变的演变规律及焊后残余应力和变形进行了计算与定量分析，表明计算结果与实际情况吻合较好。本文的研究为GTAW焊接工艺参数优化提供了理论数据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1.1选题意义

1.2焊接过程数值模拟的研究现状

1.2.1焊接热过程分析的发展状况

1.2.2焊接应力场数值模拟的进展

1.3数值方法

1.4与焊接热过程数值分析有关的商用软件

1.4.1 PHOENICS软件介绍

1.4.2 ANSYS软件介绍

1.4.3 SYSWELD软件介绍

1.5本文的主要研究内容

第二章 SYSWELD软件的应用及二次开发

2.1引言

2.2 SYSWELD软件使用说明书与学习该软件的心得体会

2.2.1模型的建立和工件的离散

2.2.2前处理

2.2.3工程的建立、检验与计算

2.2.4后处理与结果分析

2.3 SYSWELD软件的二次开发

2.3.1热源模式的二次开发

2.3.2工件材料热物性参数的修正

2.3.3工件材料机械性能参数的修正

2.4本章小结

第三章 GTAW焊接温度场与应力场的数学模型

3.1引言

3.2控制方程与定解条件

3.2.1控制方程

3.2.2边界条件及初始条件

3.3热源模型

3.3.1焊接热源模型

3.3.2双椭球体热源

3.4有限元计算

3.4.1焊接温度场的有限元计算

3.4.2热弹塑性有限元解法

3.5网格划分

3.6本章小结

第四章 GTAW温度场及熔池形状的计算结果与实验验证

4.1引言

4.2材料的热物理性能及电弧参数

4.3焊接温度场及熔池形状的瞬态演变

4.3.1焊接温度场的动态发展过程

4.3.2工件熔池形状的动态发展规律

4.3.3熔池特征参数的动态变化过程

4.3.4工件上、下表面焊缝中心线上的温度分布

4.4准稳态时焊接温度场及熔池形状

4.5焊接工艺参数对温度场的影响

4.5.1焊接电流对熔池形状及其周围温度场分布的影响

4.5.2焊接电流对熔池形状特征参数的影响规律

4.5.3焊接速度对熔池形状及其周围温度场分布的影响

4.5.4焊接速度对熔池形状特征参数的影响规律

4.6本章小结

第五章 GTAW焊接应力场的计算结果与实验验证

5.1引言

5.2相关机械性能参数

5.3应力、应变计算结果与分析

5.3.1应力、应变瞬时演变

5.3.2残余应力及总体变形情况

5.4本章小结

结论

参考文献

附录

在学期间的研究成果

致谢