低碳钢/低合金高强钢薄板焊接变形的数值模拟

论文摘要

由于人类社会对汽车的环保和节能有着越来越迫切的要求,汽车的轻量化设计是目前汽车设计中的一个重要的研究热点。本课题以汽车常用的薄板TIG焊焊接过程的数值模拟为研究对象,应用有限元分析理论,重点研究分析了分别以低碳钢AISI20和低合金高强钢SM570作为薄板焊件情况下的焊接变形规律。本研究的有限元分析及计算模拟依靠ABAQUS有限元分析软件。焊接热源模型则选择了加长型椭球等密度模型以保证有效计算精度同时又能大大缩短计算时间。应用ABAQUS软件进行数值模拟时,为了提高模拟计算的准确性,本文充分考虑了材料热物理性能与温度的非线性关系,针对薄板焊接,特别考虑了几何非线性问题,对软件件进行二次开发,实现温度场和应力应变场的耦合计算,较为系统和深入地研究了不同材料、厚度和线能量条件下薄板对接焊接的温度场、残余应力和残余变形的分布。本文首先研究模拟了相同尺寸的低合金高强钢SM570和低碳钢AISI20两种材料的薄板对接焊接变形。模拟结果表明:在相同板材尺寸和焊接工艺规范的情况下,低合金高强钢SM570比低碳AISI20的变形量小。由此可见,薄板材料的屈服强度越高,其自由状态下焊接产生焊接变形的倾向越小。本文还分别模拟和分析了在相同焊接线能量和不同的线能量的两种情况下,低合金高强钢SM570和低碳钢AISI20两种材料的薄板对接的焊接变形随着薄板厚度的变化趋势。模拟结果表明:无论焊接的线能量是否变化,薄板对接焊接的焊接变形会随着薄板厚度的减少而变大。只是在焊接线能量也减小的时候,薄板对接焊接的焊接变形会随着薄板厚度的减少而变大的幅度也变小。换而言之,对同一种材质的薄板焊件而言,板厚越薄,其自由状态下焊接产生焊接变形的倾向性越大。本文最后分析了2mm厚的低合金高强钢SM570和3mm厚低碳钢AISI20的薄板对接焊接变形。从薄板对接焊接的三个方向的模拟变形结果看,2mm厚的低合金高强钢SM570的变形量均小于3mm低碳钢AISI20的变形量。本研究结果对汽车车身的轻量化设计及焊接生产具有一定的指导意义和参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 焊接数值模拟的国内外研究概述
• 1.2.1 焊接热过程有限元分析的研究现状
• 1.2.2 焊接变形有限元分析的研究现状
• 1.3 主要研究内容及目的
• 1.4 本课题的创新之处
• 1.5 本章小结
• 2 有限元分析和焊接变形的基础理论
• 2.1 焊接变形的基础理论
• 2.1.1 焊接变形的基本概念
• 2.1.2 焊接变形的分析理论
• 2.2 焊接热过程有限元分析的理论基础
• 2.2.1 焊接热过程有限元基本方程
• 2.2.2 非线性热传导的有限元求解
• 2.3 焊接热弹塑性有限元分析理论
• 2.3.1 应力应变关系
• 2.3.2 平衡方程
• 2.3.3 求解过程
• 2.4 本章小结
• 3 有限元模拟过程相关定义
• 3.1 材料热物理性能
• 3.2 相关模型的建立
• 3.2.1 网格模型
• 3.2.2 热源模型
• 3.2.3 初始条件和热边界条件
• 3.3 设定约束条件
• 3.4 数值模拟方案
• 3.5 本章小结
• 4 材料种类对薄板对接焊接的影响
• 4.1 材料种类对薄板对接焊接温度场的影响
• 4.2 材料种类对薄板对接焊接残余应力的影响
• 4.3 材料种类对薄板对接焊接变形的影响
• 4.3.1 纵向变形
• 4.3.2 横向变形
• 4.3.3 Z 方向的变形
• 4.4 本章小结
• 5 板厚对薄板对接焊接变形的影响
• 5.1 相同线能量的情况下厚度对薄板对接焊接变形的影响
• 5.1.1 纵向变形
• 5.1.2 横向变形
• 5.1.3 Z 方向的变形
• 5.2 不同线能量的情况下厚度对薄板对接焊接变形的影响
• 5.2.1 纵向变形
• 5.2.2 横向变形
• 5.2.3 Z 方向的变形
• 5.3 本章小结
• 6 2mm 厚 SM570 和3mm 厚 AISI20 薄板焊接数值模拟结果
• 6.1 2mm 厚的SM570 和3mm 厚的AISI20 薄板对接焊接变形结果分析
• 6.1.1 纵向变形
• 6.1.2 横向变形
• 6.1.3 Z 方向的变形
• 6.2 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录