CLAM钢焊接温度场与应力场的三维数值模拟

论文摘要

中国低活化马氏体钢—CLAM(China Low Activation Martensitic steel)是中科院等离子体物理研究所与国内外多家单位合作下发展的具有中国自主知识产权的低活化马氏体钢,是我国ITER(International Thermonuclear ExperimentalReactor)实验包层模块研究的首选结构材料。CLAM钢的焊接工艺和焊接技术关系到TBM(test blanket modules)能否最终成功制造,是CLAM钢走向实际应用的关键技术之一。目前,我国已经开展了对CLAM钢热等静压扩散焊接的初步研究,为了适应聚变堆包层模块制造的发展需求,其它焊接工艺如激光焊、氩弧焊、电子束焊以及焊接的热模拟分析等研究工作显得尤为重要和紧迫。本文正是基于这一背景下,采用有限元分析和实验相结合的方法对CLAM钢TIG焊焊接温度场及应力应变场进行了初步研究。本文应用ANSYS有限元分析软件建立了平板对接单面双层焊三维有限元数学模型,并利用生死单元和APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化语言实现了焊接热源的移动加载,焊缝金属逐步填充的动态模拟及参数化建模过程。对CLAM钢焊接过程的温度场、焊后残余应力与变形情况进行了模拟分析。探讨了不同时刻,不同工艺参数下焊件的温度分布,焊件不同位置在焊接过程中经历的焊接热循环以及焊接熔池动态变化过程;对预热和未预热样件焊后焊缝区域的显微组织和硬度进行了对比分析;利用红外测温技术对温度场模拟结果进行了实验验证,模拟结果与实验结果吻合较好,证明了模型的有效性;在不考虑相变情况下分析了焊后残余应力沿路径的分布及焊后变形情况,为CLAM钢TIG焊的下一步模拟研究工作打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 数值模拟技术及其在焊接中的应用
• 1.2.1 焊接数值模拟概述
• 1.2.2 焊接数值模拟国内外研究现状
• 1.3 课题研究的意义和主要内容
• 第二章 焊接过程有限元分析理论
• 2.1 耦合场分析理论
• 2.2 焊接温度场分析理论
• 2.2.1 焊接温度场控制方程
• 2.2.2 焊接温度场有限元求解
• 2.3 焊接应力应变场的分析理论
• 2.3.1 热弹塑性理论
• 2.3.2 求解过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 CLAM钢TIG焊数值计算过程
• 3.1 实验材料及焊接工艺
• 3.2 有限元模型参数化建模过程
• 3.2.1 单元类型的选取
• 3.2.2 CLAM钢材料属性
• 3.2.3 参数化建模的实现及网格划分
• 3.2.4 热源模型
• 3.2.5 边界条件与约束加载
• 3.2.6 施加载荷及求解措施
• 3.3 金属逐步填充与热源移动的处理
• 3.4 本章小结
• 第四章 CLAM钢焊接温度场计算结果
• 4.1 一定工艺参数下温度场结果分析
• 4.1.1 焊件在不同时刻的温度分布
• 4.1.2 焊件不同位置处节点的焊接热循环曲线
• 4.1.3 红外测温与模拟结果对比
• 4.2 不同工艺参数对温度场的影响
• 4.2.1 有无预热对温度场的影响
• 4.2.2 预热和未预热情况下焊缝组织与硬度分析
• 4.2.3 焊接速度对温度场的影响
• 4.2.4 焊接热效率对温度场的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 CLAM钢焊接应力应变场计算结果
• 5.1 焊接残余应力场模拟结果分析
• 5.2 焊接变形模拟结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文