铝合金焊接残余应力与变形仿真研究

摘要

随着我国高速铁路的持续健康发展，高速列车制造业对焊接质量越来越重视。在焊接成型过程中，焊接残余应力和变形的存在是在生产中困扰人们的一大问题。焊接残余应力会影响列车运行安全，而残余变形又会影响列车装配精度，因此有必要对焊接残余应力和变形的产生和分布规律以及影响因素进行研究。通过有限元仿真分析为焊接残余应力和变形提供了一个简便有效的分析方法，大大地节约了时间和成本，现在这种方法对残余应力和变形的研究正起着越来越重要的作用。
　　选择高速列车铝合金车体广泛使用的5083铝合金和与之相匹配的5183焊丝，以其在脉冲半自动氩弧焊下的焊接过程为研究对象，首先应用材料性能模拟软件获得两种材料的热物理性能参数，然后采用有限元分析软件对其仿真分析方法进行了初步探索，之后又分析了热源形状对焊接残余应力与变形的影响。通过分析各个焊接温度场和应力应变场，主要得出了以下结论:
　　(1)通过从焊缝纵向方向选取的五个节点和在中央宽度方向上选取的三个节点的温度循环曲线可以看出，焊接温度场良好地反映了焊接热循环过程，焊缝完全熔化，符合焊接实际。
　　(2)残余等效应力在Von Mises强度准则下距材料的屈服强度有一定的安全裕量。纵向残余应力主要集中在焊缝和热影响区附近，在横向方向最大值出现在热影响区，在纵向方向两端应力值较小，中部应力水平较高。横向残余应力在横向方向上大致呈现先增大后减小的趋势，最大值同样出现在热影响区，在纵向方向上两端为压应力，压应力要比中部的拉应力大很多，大致呈梯形分布。总体上来讲，纵向残余应力的应力水平要比横向残余应力高一些，占有较大的主导地位。
　　(3)残余变形基本都是收缩变形。纵向变形主要集中焊缝和热影响区，焊缝处最大，沿焊接方向基本一直增大，在焊接末端快速减小到焊接开始的水平。横向变形从焊缝中心急剧增大到热影响区之后有所减小。角变形大致呈“马鞍形”分布。
　　(4)改变椭球热源形状参数对焊接残余应力没有太大影响，对焊接残余变形有一定影响，纵向变形、横向变形以及角变形都会随着热源宽度的增大和深度的减小有所增大。在数值模拟和生产中要注意热源形状参数对残余变形的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 焊接残余应力与变形国外研究历程

1．2．2 焊接残余应力与变形国内研究历程

1．3 本论文的研究方法、内容

第二章 焊接残余应力与变形

2．1 焊接残余应力

2．1．1 焊接残余应力的产生过程

2．1．2 焊接残余应力的特点

2．1．3 焊接残余应力对构件的影响

2．1．4 焊接残余应力的测量方法

2．1．5 焊接残余应力的控制与消除

2．2 焊接残余变形

2．2．1 焊接残余变形的产生过程

2．2．2 焊接残余变形的表现形式

2．2．3 焊接残余变形的控制与消除

2．3 本章小结

第三章 焊接理论基础

3．1 焊接传热学基本理论

3．1．1 热传递基本定律

3．1．2 焊接传热微分方程

3．1．3 焊接传热过程中的有限元计算

3．2 焊接热源模型

3．2．1 集中热原模型

3．2．2 高斯分布热源模型

3．2．3 半球状与椭球状热源模型

3．2．4 双椭球热源模型

3．3 焊接应力应变理论

3．3．1 屈服准则

3．3．2 流动准则

3．3．3 强化准则

3．3．4 焊接热弹塑性理论

3．4 本章小结

第四章 选材及其热物理性能的计算

4．1 焊接选材及匹配

4．2 材料热物参数的获取

4．3 本章小结

第五章 焊接温度场和应力应变场的仿真分析

5．1 有限元模型的建立

5．1．1 几何模型与焊接工艺

5．1．2 网格划分

5．1．3 边界条件与初始条件

5．2 温度场分析

5．3 残余应力分析

5．4 残余变形分析

5．5 本章小结

第六章 热源形状对焊接残余应力与变形的影响

6．1 热源形状对焊接温度场的影响

6．2 热源形状对焊接残余应力的影响

6．3 热源形状对焊接残余变形的影响

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文