典型飞机构件焊接热过程/应力/应变模拟系统设计

论文摘要

焊接技术在航空飞机制造领域已经成为主导工艺方法之一。在航空制造企业中,提高焊接生产的柔性、适应性和敏捷性,对加快自身产品更新,增强企业竞争力有十分重要的意义。随着计算机技术的发展,以虚拟制造理论为基础、有限元分析为核心的焊接模拟系统,能简化生产工序、提高生产效率、降低生产成本,为企业实现上述柔性化、智能化等目标提供了强有力的解决方案。为此,本文设计了典型飞机构件焊接热过程/应力/应变模拟系统,协助焊接工程师完成实体建模、网格划分、焊接工艺过程设计及焊接过程模拟仿真。首先,对虚拟制造环境下,基于有限元的焊接数值模拟系统体系进行了研究,提出了该类系统的基本框架和具体的集成实现方案。该框架集成了设计建模、网格划分、有限元计算等多个功能模块。然后,对基于造型软件的参数化建模技术进行了研究,改进了建模技术的程序实现方法,设计实现了虚拟三维实体模型的创建和装配。根据虚拟模型特点,基于专用网格划分软件分别研究了简单构件和复杂构件的自动网格划分技术。针对复杂构件,开发了几何拆分和网格组装技术。通过将复杂大构件拆分成小的简单构件,对每块子构件进行网格划分,然后组装成原复杂构件的整体网格。基于复杂构件网格划分技术,成功实现了对任意自定义飞机壁板构件的六面体网格自划分。同时,对有限元边界条件自动加载技术进行了研究,开发了交互式自动边界条件加载模块。最后,使用本文研究的系统对平板焊接和某型飞机壁板构件实例进行了模拟计算,探讨了模拟系统的可用性。分析表明,系统能够实现自动化和智能化处理,计算结果具有合理性并且能大幅度节省建模时间和降低操作人员的技术要求。本文在参数化建模、自动化网格划分及模拟仿真方面的研究,实现了焊接数值模拟的自动化和智能化。这些创新性的研究,对推进焊接生产数字化进程,实现虚拟焊接制造具有较大的借鉴价值和实用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 虚拟制造技术的发展现状
• 1.2.1 虚拟制造技术研究与应用现状
• 1.2.2 虚拟制造技术在焊接生产中的应用现状
• 1.3 焊接数值模拟研究现状
• 1.3.1 焊接数值模拟概述
• 1.3.2 焊接热过程数值模拟研究现状
• 1.3.3 焊接应力应变数值模拟研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 系统总体设计及实现方案研究
• 2.1 系统总体设计
• 2.1.1 虚拟-现实映射关系分析
• 2.1.2 系统总体框架
• 2.1.3 系统开发平台及语言选择
• 2.2 系统实现方案研究
• 2.2.1 参数化建模模块实现方案研究
• 2.2.2 模拟仿真模块实现方案研究
• 2.2.3 系统集成实现方案研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 参数化建模和网格划分的实现
• 3.1 参数化建模技术研究
• 3.1.1 CATIA零件文档程序结构分析
• 3.1.2 参数化建模算法流程分析
• 3.2 参数化建模的实现
• 3.2.1 典型焊接接头模型建立的实现
• 3.2.2 飞机壁板构件模型建立的实现
• 3.3 自动网格划分技术研究与实现
• 3.3.1 典型焊接接头自动网格划分
• 3.3.2 复杂构件自动网格划分
• 3.4 有限元模型中实体集合定义
• 3.5 本章小结
• 第4章 焊接过程模拟仿真的实现
• 4.1 模拟仿真理论基础
• 4.2 边界条件加载
• 4.2.1 热流密度边界条件
• 4.2.2 散热边界条件
• 4.2.3 位移边界条件
• 4.3 材料属性定义
• 4.4 历程定义与计算
• 4.5 热源校核模块实现
• 4.5.1 热源校核原则
• 4.5.2 节点数据提取
• 4.5.3 数据可视化处理
• 4.6 本章小结
• 第5章 模拟系统算例分析
• 5.1 平板焊接温度场计算分析
• 5.1.1 实际问题描述
• 5.1.2 计算与分析
• 5.2 飞机壁板构件应力应变计算分析
• 5.2.1 实际问题描述
• 5.2.2 计算与分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢