焊接构架侧梁残余应力数值模拟分析

论文摘要

转向架作为机车车辆的主要部件,对行车安全起着至关重要的作用,而构架又是转向架的重要承载和传力构件,一般情况下构架由箱型结构梁组焊而成。由于焊接过程中不可避免地产生残余应力,在一定条件下,残余应力的存在使焊接构架在使用过程中产生裂纹甚至开裂,产生安全隐患。常用的降低或消除焊接残余应力的方法是在焊后采用热处理或机械处理,但这些方法在没有前期测量分析的情况下实施,消除效果的不确定性较大。因此,预报、测量和分析焊接残余应力,根据其产生的原因和存在的规律性,采取相应的技术措施减少其大小、改善其分布,这对提高焊接结构承载能力、延长其使用寿命具有重要的工程实用价值。本文分析了焊接残余应力数值模拟技术的特点以及国内外焊接应力研究现状和进展,其中有限元数值分析方法受物体几何形状、边界条件和物理特性的限制较少,实用性强、应用灵活等特点,越来越受到有关研究人员的关注,但目前在焊接领域的应用尚不十分广泛。因此,本文在限元分析理论的基础上,分别给出了焊接温度场及应力场的数学模型及有限元求解方法。以热-弹塑性有限元法为基础,采用有限元分析软件ANSYS对T型焊接接头和箱型结构梁焊接过程中的温度场、动态应力以及焊后残余应力进行了数值模拟分析。针对焊接转向架构架侧梁的残余应力数值模拟分析计算量大、时间步长难以确定、计算结果难以收敛等问题,对单元的选择、网格的划分、时间步长的选择以及边界条件参数的规范进行了研究,采用形状规则的无中间节点的三维实体六面体单元进行网格划分,在近热源区域采用极细网格,远热源区域则采用稀疏网格,较大程度地提高了计算效率。焊接热源的加载及焊缝金属填充过程的模拟是焊接数值模拟技术的难点之一,本文采用单元生死技术模拟焊缝金属的填充过程,得到了与经典理论相符合的计算结果;采用高斯热源模型模拟焊接热源,并通过ANSYS参数化设计语言APDL编程模拟热源移动,得出了T型焊接接头及箱型结构梁的焊接温度场、热应力场及残余应力的演化规律,为复杂焊接结构的数值模拟研究的可行性提供了依据。影响箱型结构梁残余应力的因素很多,其中焊接顺序对残余应力产生的影响极大。本文参照T型焊接接头有限元建模的步骤和方法,并建立局部坐标系和定义各焊缝名称,通过互换局部坐标系模拟了四种不同焊接顺序下箱型结构梁的焊接,得到不同焊接顺序下的焊接残余应力分布及其焊接变形,这为焊接残余应力的控制以及焊接顺序的优化提供重要的依据,具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 焊接数值模拟技术特点及难点
• 1.2.1 焊接数值模拟技术的特点
• 1.2.2 焊接数值模拟技术的难点
• 1.3 焊接残余应力数值模拟技术的发展及研究现状
• 1.3.1 国外对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展
• 1.3.2 国内对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展
• 1.4 有限元分析软件在焊接数值模拟技术中的应用及特点
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 焊接过程有限元分析理论与方法
• 2.1 焊接温度场分析
• 2.1.1 焊接温度场的意义
• 2.1.2 温度场计算的数学模型
• 2.1.3 焊接温度场的有限元求解
• 2.2 焊接应力场分析
• 2.2.1 应力应变场的数学模型
• 2.2.2 焊接应力场的计算方法
• 2.3 焊接残余应力的影响因素及其控制措施
• 2.3.1 焊接残余应力影响因素
• 2.3.2 焊接残余应力控制措施
• 本章小结
• 第三章 焊接残余应力数值模拟分析过程
• 3.1 有限元模型的建立
• 3.1.1 实体模型的建立
• 3.1.2 单元选择
• 3.1.3 单元网格划分
• 3.2 边界条件的确定
• 3.2.1 位移边界条件
• 3.2.2 初始条件
• 3.2.3 热边界条件
• 3.2.4 材料特性参数
• 3.3 求解
• 3.3.1 焊接温度场求解
• 3.3.2 焊接应力场求解
• 本章小结
• 第四章 T型焊接接头的计算结果及分析
• 4.1 T型焊接接头温度场计算结果及分析
• 4.2 焊接热应力场的计算结果及分析
• 4.2.1 焊接热应力场的计算结果
• 4.2.2 焊接热应力场的计算结果分析
• 4.3 焊接残余应力分析结果
• 本章小结
• 第五章 箱型结构焊接残余应力控制
• 5.1 转向架构架侧梁有限元模型
• 5.2 箱型结构梁的焊缝分布描述
• 5.3 箱型结构梁温度场分析结果
• 5.3 箱型结构梁热应力、残余应力分析结果
• 5.4 箱型梁焊接顺序对残余应力及变形的影响
• 5.4.1 焊接顺序对残余应力的影响
• 5.4.2 焊接顺序对残余变形的影响
• 本章小节
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 箱型结构梁焊接温度场及应力场分析命令流
• 攻读硕士学位期间发表的论文