大型航空结构件焊接变形分析及数值模拟

摘要

焊接过程中材料受热不均匀，造成不均匀温度场，较大的热梯度以及焊接残余应力的作用使结构产生焊接变形。焊接残余应力与变形产生对结构的强度、刚度和使用性能带来严重影响。若能够提前预测焊后的残余应力以及变形情况，就能通过后续工艺方法来减小或者控制焊接变形的产生。工程上铝合金焊接构件一般尺寸较大，结构较复杂，在焊接过程中受焊接顺序、工艺参数、焊装夹具等综合影响，在实际操作中不可控因素较多，一般来说通过试验方法来进行变形预测难以实现。如何控制和减小焊接残余应力与变形，成为了工程上亟需解决的问题，有限元技术的发展为解决大型复杂铝合金构件焊接预测变形问题带来了便利。 本文以某大型航空结构为研究对象，针对激光焊接下的焊接残余应力与变形行为和规律进行了分析。基于弹塑性有限元法，应用专用非线性有限元模拟软件simufact.welding进行数值模拟。通过对结构的焊接温度场与应力应变场进行分析，得到了热循环曲线以及残余应力对结构变形的影响规律。并通过对长焊缝的顺序优化，得到了长焊缝焊接顺序优化方法，进而对整个结构进行了焊接顺序优化。本文为实际工程的焊接工艺优化提供了参考。本文主要研究内容如下： （1）对结构件进行温度场与应力应变场的数值模拟和分析，得到了该结构的温度、应力以及变形的分布情况； （2）研究了在不同约束条件下的结构变形分布，分析了约束条件对结构的影响，对结构的约束条件进行了优化； （3）对结构变形影响较大的纵向长焊缝焊接顺序进行优化，得到长焊缝的焊接顺序优化规律，再使用单条焊缝最优方案，对整个结构焊接顺序进行优化。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 预测焊接变形的方法研究

1.3国内外研究现状

1.3.1激光焊接技术国内外发展现状及趋势

1.3.2焊接变形预测的国内外研究现状

1.4 本文主要工作

第二章 焊接数值模拟理论基础

2.1 数值模拟方法

2.1.1 有限差分法

2.1.2 有限体积法

2.1.3 有限单元法

2.2 热传导理论及焊接热源

2.2.1 热传导基本理论

2.2.2温度场控制方程

2.2.2 焊接热源

2.3 大型复杂焊接结构件有限元分析的难点

2.4 本章小结

第三章 焊接温度场与应变场数值模拟

3.1有限元模型的建立

3.1.1 几何建模

3.1.2 网格划分

3.1.3 材料特性参数

3.1.4 约束条件

3.1.5 热源模型

3.2 焊接工艺及顺序

3.3 焊接温度场数值模拟结果及分析

3.4 焊接应力与变形数值模拟结果及分析

3.4.1 焊接结构变形分析

3.4.2 焊接等效应力分布

3.5 本章小结

第四章 焊接工艺优化方案设计

4.1 焊接工艺优化简化方法

1、热连接收缩法

2、热循环曲线法

4.2 焊接约束工艺优化

4.3焊接顺序工艺优化

4.3.1 单条焊缝的焊接顺序优化

4.3.2 整体焊缝的焊接顺序优化

4.4 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的成果