超大型齿轮冷热态焊接温度场数值分析

摘要

随着我国加大在基建、工业等领域的投入，机械行业已然到了关键期，需要配套大量的重型设备。传统的齿轮坯料都是采用铸造成型，若超大型齿轮仍然采用铸造工艺生产，将会产生巨大的制造成本。如今可以使用焊接的方法制造出更高质量的超大型齿轮，不仅能够节省材料和制造成本，还能提高生产效率。由于齿轮材质均为合金钢，可焊性差，焊接后需进行高温退火，若没有很好的焊接工艺控制，极易产生裂纹。　　本文从热/弹塑性理论着手，利用ANSYS软件对超大齿轮的焊接进行温度场与应力场三维数值仿真，用来分析焊件的温度场、焊接过程应力场的变化及焊后冷却产生的残余应力，并且比较了不同焊前预热温度和焊接速度对它们的影响。本文主要做了如下几个方面的研究工作：　　1.建立了超大型齿轮的焊接温度场和焊接应力变场三维移动热源有限元分析模型。要兼顾计算精度与计算速度，在对模型进行网格划分时，离焊缝区比较近的位置采用精密尺寸，在相对较远的位置选择粗略的尺寸。再划定恰当的时间子步，利用ANSYSAPDL语言进行编程，完成“单元生死”和移动热源模拟焊接熔敷的过程。　　2.本文在模拟计算时，采用的是间接法，只考虑温度场对应力场的单向耦合作用。即先计算温度场，再进行焊接应力场的计算。这样可以节省大量的时间，使计算过程较为合理、高效。　　3.通过模拟结果对不同时刻的焊接温度场分布情况以及不同点的热循环曲线进行分析，比较了不同焊前预热温度和焊接速度下的温度场分布及特定点的热循环。得出焊前预热温度和焊接速度对焊接接头及热影响区的影响规律，为焊接工艺改进提供了重要的依据。　　4.对超大齿轮的焊接应力场进行三维动态模拟时，得到不同类型的应力在整个齿轮构件内部以及三大主方向（轴向、径向和周向）的分布情况，可以查看焊接过程任何时刻的云图。

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超大型齿轮冷热态焊接温度场数值分析

摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 课题来源、背景及意义

1.1.1课题来源

1.1.2研究背景

1.1.3研究意义

1.2焊接数值模拟简述

1.2.1焊接温度场数值模拟研究概况

1.2.2焊接应力场数值模拟研究概况

1.3 主要技术问题及未来发展趋势

1.3.1 主要技术问题

1.3.2 未来发展趋势

1.4 本文的研究方法和主要内容

1.5 论文各章内容简介

1.6 本章小结

第二章 ANSYS有限元法和齿轮三维模型创建

2.1 有限元法概述

2.2 焊接过程有限元分析

2.3 焊接有限元模型的简化

2.4 齿轮三维模型的建立

2.4.1齿轮几何模型的建立

2.4.2 定义材料属性

2.4.3 单元类型的选择

2.4.4 网格划分

2.5 本章小结

第三章 齿轮焊接的温度场计算

3.1 焊接温度场分析的基本理论

3.1.1 焊接传热的基本形式

3.1.2 焊接温度场的基本方程

3.1.3 温度场热传导的非线性瞬态值分析

3.2热源模型的选取

3.3 单元生死和移动热源的实现

3.3.1单元生死技术

3.3.2移动热源的实现

3.4初始条件和边界条件的施加

3.4.1初始预热温度的确定

3.4.2边界条件

3.4.3 多层多道焊的划分

3.5温度场的求解设置

3.5.1荷载步的设定

3.5.2结果输出设置

3.6 本章小结

第四章 焊接温度场计算结果分析

4.1温度场和应力场后处理

4.2焊接过程温度场的分布

4.3焊接温度曲线

4.3.1焊缝中心线各点的焊接热循环曲线

4.3.2初始预热温度对焊接的影响

4.3.3焊接速度对焊接的影响

4.4本章小结

第五章 齿轮焊接应力场的计算

5.1焊接应力与变形产生的原因

5.2热弹塑性理论

5.2.1屈服准则

5.2.2流动准则

5.2.3强化准则

5.3热弹塑性有限元法

5.3.1应力应变关系

5.3.2平衡条件

5.4焊接应力场的计算方法

5.5求解应力场需注意的问题

5.5.1 非线性问题

5.5.2载荷步的设置

5.5.3定义边界条件

5.6焊接应力场结果分析

5.6.11/6剖分模型应力场分布云图

5.6.21/6剖分模型变形分布云图

5.6.3 Von Mises和P-SEQ应力值分析

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

作者简介及读研期间主要科研成果