转向架构架侧梁的焊接变形数值模拟研究

摘要

焊接是一个非常复杂的过程，涉及电弧物理学、传热学、冶金和力学等多学科领域。当今已有的焊接变形研究方法主要有:解析法、试验法与数值模拟三种方法。然而采用理论的解析法和试验法在实际生产制造中存在极大的局限性。基于在经济成本、运算效率和适用范围方面具有明显的优势，数值模拟已成为当今焊接研究最主要的分析方法。本文主要针对数值模拟在构件焊接变形研究中的应用进行了相关规律的探索与总结，并提出相应的改进方法与可行建议。主要内容如下:
　　第一，固有应变法是研究大型焊接构件焊后残余变形的主要分析方法。本文对某平板多层焊接接头进行了试验研究，并将焊后变形测量结果与热弹塑性有限元法、固有应变法的仿真结果进行对比分析。研究结果表明固有应变法在焊接变形预测中具有可靠性，且在保证精度的前提下，能极大的缩短计算周期，适用于大型焊接构件的焊接变形计算。
　　第二，热输入与板厚尺寸是影响固有应变的主要因素。焊接速度是控制热输入量最常用的工艺参数，板厚是构件设计过程中必须考虑的问题。本文对一系列T型焊接接头进行了数值模拟，研究表明了横向、纵向及等效固有应变与焊接速度之间的强线性关系，同时总结出板厚尺寸对T型焊接接头的焊后残余变形的影响规律。
　　第三，固有应变值的施加方式和施加位置是影响数值模拟计算精度的关键。对三种假设的固有应变施加位置方案进行了计算和对比，发现以焊缝中间线为轴心，焊缝直角边的1/2为半径的范围内单元节点进行固有应变的施加，其计算结果与热弹塑性有限元的计算结果更接近。
　　第四，最后对大型焊接构件的焊后残余变形进行研究，采用固有应变法对某转向架构架侧梁进行了焊接变形的预测与焊接工艺的影响研究，并提出有效降低焊后残余变形的焊接方向与焊接顺序。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 焊接数值模拟的现状

1．2．1 热弹塑性有限元分析方法

1．2．2 固有应变法

1．3 焊接数值模拟的发展技术难点

1．4 本研究课题的主要内容

第2章 焊接数值模拟的理论基础

2．1 热弹塑性有限元分析方法

2．1．1 热弹塑性有限元理论

2．1．2 热弹塑性分析方法的应用

2．2 固有应变有限元法分析方法

2．2．1 固有应变值的概念

2．2．2 固有应变值的确定

2．2．3 固有应变值的施加与讨论

2．3 SYSWELD软件在焊接数值中的应用

2．3．1 SYSWELD软件介绍

2．3．2 SYSWELD求解模块介绍

2．4 本章小结

第3章 平板对接接头焊接变形的数值模拟与实验分析

3．1 焊接变形数值模拟的可靠性验证

3．1．1 可靠性验证方案概述

3．1．2 可靠性验证方案设计

3．1．3 试验结果测量

3．2 热弹塑性有限元焊接数值模拟

3．2．1 有限元模型

3．2．2 材料性能参数

3．2．3 焊接热源

3．2．4 焊接工艺参数

3．2．5 仿真结果

3．3 固有应变有限元焊接数值模拟

3．3．1 固有应变值的提取与施加

3．4 计算结果对比分析

3．5 本章小结

第4章 T型接头焊接变形的相关研究

4．1 焊接速度对T型接头固有应变的影响研究

4．1．1 模型建立及工艺方案

4．1．2 计算结果分析

4．1．3 线性相关性研究与验证

4．2 底板厚度对T型接头焊接变形的影响研究

4．2．1 模型与方案

4．2．2 计算结果分析

4．3 固有应变值施加方式的焊接变形仿真研究

4．3．1 传统固有应变施加方式

4．3．2 固有应变施加方式的探讨与方案设计

4．3．3 计算结果分析

4．4 本章小结

第5章 固有应变法在转向架构架变形预测中的应用

5．1 固有应变法预测侧梁焊接变形

5．1．1 固有应变数据库

5．1．2 计算与分析

5．2 焊接工艺方案对构架侧梁焊接变形的影响研究

5．2．1 焊接方向的研究

5．2．2 焊接顺序的研究

5．3 本章小结

第6章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文