贯穿件多道焊温度场及应力场的数值模拟

论文摘要

焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟,就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。本文系统地论述了焊接过程温度场和应力场的分析理论,总结了基于有限元分析软件ANSYS的焊接模拟计算过程,并且对目前研究很少的某典型贯穿件构件环焊缝多道焊的焊接过程进行了三维有限元模拟,求解得到了温度场和应力场。经过分析知求解结果与前人的分析结果及理论上的结果吻合较好,为以后进行类似构件的焊接数值模拟提供了依据。本文的主要内容包括:建立合适的有限元模型;选择双椭球热源模型,利用函数加载功能实现热源沿环焊缝移动;采用“生死”单元技术模拟焊缝金属一道一道顺序填充的过程;讨论热源模型参数和焊接速度对温度场结果的影响;在分析得出的温度场的基础上对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟。本文编写了应用有限元分析软件ANSYS对环焊缝多道焊温度场和应力场进行模拟分析的APDL(ANSYS Parametric Design Language)程序,可以通过简单的修改相应的参数来实现焊接工艺的优化。这为优化焊接结构工艺和焊接规范参数提供了理论依据和指导。本文研究了可行的环焊缝多道焊温度场和应力场的三维动态模拟方法,为复杂焊接结构进行三维焊接温度场和应力场的分析提供了理论依据和指导,促进了有限元分析技术在焊接力学以及工程中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本论文研究的意义
• 1.2 焊接数值模拟的国内外研究概况
• 1.2.1 国内外焊接瞬态温度场研究概况
• 1.2.2 国内外焊接应力场研究概况
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 焊接温度场分析理论
• 2.1 关于温度场的一些基本概念
• 2.1.1 温度场
• 2.1.2 温度梯度
• 2.1.3 热流密度
• 2.2 焊接传热的基本定律
• 2.2.1 热传导定律
• 2.2.2 对流换热定律
• 2.2.3 辐射换热定律
• 2.2.4 全部换热
• 2.3 热传导微分方程
• 2.4 准稳态温度分布
• 2.5 焊接热源模型
• 2.5.1 Rosonthal的解析模式
• 2.5.2 高斯函数分布的热源模型
• 2.5.3 半球状热源模型和椭球型热源模型
• 2.5.4 双椭球型热源模型
• 2.5.5 热源分布函数的选用
• 2.6 相变潜热的处理
• 2.7 本章小结
• 第3章 焊接应力场分析理论
• 3.1 焊接内应力的基本概念
• 3.2 热弹塑性分析的特点和假定
• 3.3 塑性理论
• 3.3.1 Von Mises屈服准则
• 3.3.2 塑性流动法则
• 3.3.3 强化准则
• 3.4 焊接塑性有限元法的基本理论
• 3.4.1 分析焊接动态过程的塑性理论
• 3.4.2 考虑力学性能与温度有关的应力——应变关系
• 3.4.3 平衡方程
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于ANSYS的焊接模拟计算过程
• 4.1 焊接过程温度场的模拟分析
• 4.1.1 温度场前处理
• 4.1.2 温度场加载求解
• 4.1.3 温度场后处理
• 4.2 焊接过程应力场的模拟分析
• 4.2.1 应力场前处理
• 4.2.2 应力场加载求解
• 4.2.3 应力场后处理
• 4.3 本章小结
• 第5章 贯穿件多道焊温度场的数值模拟
• 5.1 焊接温度场的模拟
• 5.1.1 几何模型的建立
• 5.1.2 网格的划分
• 5.1.3 载荷的加载及求解
• 5.1.4 求解结果分析
• 5.2 不同双椭球热源参数的温度场结果对比
• 5.2.1 改变影响熔宽的参数a
• 5.2.2 改变影响熔深的参数c
• 5.3 不同焊接速度的温度场结果对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 贯穿件多道焊应力场的数值模拟
• 6.1 焊接应力场的求解
• 6.2 应力场结果分析
• 6.2.1 应力动态变化过程分析
• 6.2.2 残余应力分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢