焊接残余应力对构架疲劳强度的影响

论文摘要

焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能与安全可靠性的重要因素,它在一定条件下会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。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,焊接构架又是转向架的重要承载和传力构件,如何准确测试或模拟焊接构架的残余应力,分析其对疲劳强度的影响,对提高转向架焊接结构承载能力、延长其使用寿命,提高运行安全性具有重要的工程价值。本文综述了焊接残余应力数值模拟技术的特点以及国内外焊接残余应力研究现状和最新进展,并在有限元分析软件ANSYS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。针对焊接构架主结构的残余应力数值模拟分析计算量大、时步长难以确定、计算结果难以收敛等问题,对单元的选择、网格的划分、间步长的选择以及边界条件参数的规范进行了研究,采用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,本文采用单元生死单元格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；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编模拟热源移动,得出焊接温度场、热、应力及残余应力的计算结果,并分析出残余应力对构架疲劳强度的影响,为复杂焊接结构的数值模拟研究的可行性提供了依据。本论文还通过比较不同的残余应力检测技术和检测设备,提出适用于焊接构架的残余应力检测的测试仪器和方案；通过焊接构架残余应力消除技术的对比研究,提出适用于焊接构架的残余应力消除技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外关于疲劳强度的研究现状
• 1.2.1 疲劳断裂研究发展
• 1.2.2 抗疲劳设计方法
• 1.2.3 疲劳强度的影响因素
• 1.2.4 焊接结构疲劳强度的影响因素
• 1.3 焊接残余应力模拟技术的发展
• 1.3.1 理论方面
• 1.3.2 应用方面
• 1.3.3 数值方法的发展
• 1.3.4 数值分析的难点
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 焊接工艺对残余应力的影响
• 2.1 残余应力
• 2.1.1 残余应力的定义
• 2.1.2 焊接残余应力和焊接变形的关系
• 2.1.3 焊接残余应力的特点
• 2.1.4 焊接残余应力的性质
• 2.2 焊接工艺
• 2.2.1 主要焊接方法
• 2.2.2 常用焊接工艺方法介绍
• 2.2.3 焊接形式及焊缝类型
• 2.3 影响焊接残余应力的主要因素
• 2.4 焊接残余应力对焊接结构的影响
• 第3章 焊接构架温度场数值模拟
• 3.1 焊接热过程有限元分析
• 3.1.1 焊接温度场模拟计算
• 3.1.2 焊接温度场与应力场的计算方法
• 3.1.3 焊接热过程有限元分析的特点
• 3.1.4 焊接热过程有限元模型的简化
• 3.2 焊接构架温度场的分析
• 3.2.1 建模
• 3.2.2 焊接热源载荷的施加
• 3.2.3 焊接温度场求解
• 3.3 焊接构架角焊缝温度场计算结果
• 3.4 焊接构架Ⅰ型坡口温度场计算结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 残余应力对疲劳强度影响
• 4.1 焊接应力场计算
• 4.1.1 应力场求解
• 4.1.2 焊接构架角焊缝温度场计算结果
• 4.1.3 Ⅰ型坡口焊缝应力场计算结果
• 4.2 主要命令流
• 4.3 残余应力对疲劳极限的影响
• 4.3.1 残余应力对疲劳极限的影响
• 4.3.2 构架疲劳极限计算
• 4.3.3 角焊缝残余应力对疲劳极限的影响
• 4.3.4 Ⅰ型坡口焊缝残余应力对疲劳极限的影响
• 本章小结
• 第5章 残余应力检测与消除技术
• 5.1 残余应力检测
• 5.1.1 有损检测
• 5.1.2 无损检测
• 5.2 残余应力检测仪器简介
• 5.2.1 小孔测量法仪器简介
• 5.2.2 X射线衍射法仪器简介
• 5.2.3 电磁测量法仪器简介
• 5.2.4 焊接构架残余应力检测系统
• 5.3 焊接残余应力的消除技术
• 5.3.1 焊后热处理
• 5.3.2 过载处理
• 5.3.3 振动法调整残余应力处理
• 5.3.4 锤击处理
• 5.3.5 爆炸消除应力处理
• 5.3.6 温差法消除残余应力
• 5.4 焊接构架残余应力消除方法
• 5.4.1 选择合理的焊接工艺参数
• 5.4.2 选择合理的装配焊接次序
• 5.4.3 锤击处理法
• 5.4.4 焊后消应力措施
• 5.4.5 焊后变形矫正措施
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果