T型接头激光深熔焊热-力学有限元分析

摘要

激光焊接“三明治”夹芯板使三明治轻量化结构的优点（高比强度、高比刚度）与激光焊接柔性加工技术的优点（焊缝深宽比大、焊接应力与变形小等）有效结合，满足了激光焊接三明治夹芯板的结构要求和生产效率要求，使三明治夹芯板的模块化生产技术更加成熟，在船舶轻量化中的应用前景更加广阔。本课题以船舶轻量化为研究背景，以T型接头为研究对象，基于ANSYS平台，应用实验和有限元数值模拟的方法，研究了激光深熔焊的热-力学现象。
　　在分析了国内外研究现状的基础上，对激光深熔焊热源模型进行了总结，建立了T型接头温度场模型并对实现算法进行了程序优化，得到了T型接头温度场分布，预测了T型接头焊缝形貌并优化了工艺参数，最后模拟了T型接头激光深熔焊的应力分布，得到了以下结论：
　　综合考虑 T型接头的实体模型、网格划分和热源模型的加载，基于 APDL（ANSYS参数化设计语言），优化了焊接温度场的实现算法；建立了T型接头综合材料模型，同时考虑了材料属性随温度的变化、熔池对流、相变潜热、材料辐射等问题，使所建模型尽量的接近实际情况。
　　对九种体热源模型进行了对比研究，其中的五种为新建体热源模型，经过对比分析表明，双椭球+柱组合热源模型、锥+柱改进体热源模型及旋体+柱改进体热源模型所得模拟结果的温度场轮廓与实验焊缝轮廓匹配良好，可以准确的模拟T型接头的激光深熔焊加工过程。进一步对新建立的旋体+柱改进体热源模型进行了实验验证，并应用此模型模拟了T型接头激光深熔焊的温度场，得到了焊接过程与冷却过程的温度场变化，研究了焊接熔池的三维形状，讨论了激光功率与焊接速度对焊接熔池形状的影响。
　　为了指导热源模型的选取和简化热源模型参数的确定过程，基于响应面分析建立了激光深熔焊参数与熔深 WP、熔宽 WW、面板与芯板结合区焊缝的宽度WB之间的数学模型，经方差分析、数据检验、模型实验验证，证明了所建模型可用于焊缝形貌预测，从而使 T型接头热源模型参数的确定过程简单有效；并以焊缝形貌参数和焊接成本为标准对激光深熔焊工艺进行了优化。系统研究了焊接参数对焊缝形貌的影响规律：对于熔深，激光功率影响最显著且为正相关，其次是焊接速度且为负相关，装配间隙单独变化对熔深影响不显著；对于熔宽，焊接速度影响最显著且为负相关，其次是激光功率且为正相关，装配间隙和激光功率的交互作用对熔宽影响显著；对于结合区焊缝宽度，三因素对其都有影响，激光功率和装配间隙的影响较显著。
　　应用生死单元技术对焊接过程中的应力进行了数值模拟，得到了焊接过程中应力的演变过程及应力场的分布情况，结果表明，随着焊接熔池的移动，已凝固焊缝应力由0迅速增大，在焊缝区、近焊缝区和面板与芯板的结合区出现高的应力集中区；焊接过程中，沿焊缝方向的应力SZ与沿厚度方向的应力SY值较接近且大于横向应力SX，应力最大值出现在热影响区。进一步对焊接残余应力进行了分析，得到了焊接残余应力的分布情况，结果表明，焊缝两端的残余应力分布规律相同，焊缝上表面横向残余应力SX与沿焊缝方向的残余应力SZ较大沿厚度方向的残余应力SY较小；对于T型接头来说，沿厚度方向亦存在较大残余应力，在面板与芯板的结合区域形成高应力集中。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 激光深熔焊原理及研究进展

1.3 激光深熔焊数值模拟研究进展

1.4 本课题的研究内容及意义

第二章 激光深熔焊体热源模型研究及算法实现

2.1 前言

2.2 数值模拟算法实现

2.3 T型接头激光深熔焊体热源模型研究

第三章 T型接头激光深熔焊温度场分析

3.1 前言

3.2 温度场结果分析

3.3 焊接参数对温度场的影响

第四章 T型接头焊缝形貌预测及参数优化

4.1 前言

4.2 试验方法

4.3 激光深熔焊实验

4.4 数学模型的建立

4.5 焊接参数对焊缝形貌的影响

4.6 参数优化

第五章 T型接头激光深熔焊应力场数值模拟及实验验证

5.1 前言

5.2 热弹塑性有限元理论

5.3 应力场有限元模型

5.4 应力场结果分析与讨论

5.5 X射线残余应力测试及实验验证

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢