铝合金车体结构焊接变形的模拟优化控制工艺

论文摘要

针对高速列车铝合金车体焊后出现的变形问题,开展了车体焊接应力、变形分析以及焊后矫形技术的研究。通过对车体焊接装配过程和火焰矫形过程的有限元模拟,揭示了车体的变形规律,从而为优化焊接工艺,确定变形控制措施奠定基础。本文首先对小尺寸车体结构模型的焊接进行了有限元数值模拟,并对其计算结果进行了实验验证。结果表明模拟结果与测量结果吻合良好,证明了模型的建立以及求解条件施加的合理性。但是这种车体型材结构不但会使得建模的时间大大增加,还会使整个车体模型的单元数量巨大而使现有计算机硬件水平无力承担。因此,本文提出了两种简化结构,并与小尺寸的实际结构模型进行了静力与焊接情况下的等效分析。结果表明,这两种结构不但能够保证与原结构在刚度、焊接残余应力等方面达到等效,而且能够大大减少单元数量从而提高运算速度。利用简化结构建立了整个车体的模型并对其进行了虚拟装配焊接。在对车体八条主要焊缝焊接后,产生了与实际焊接出现的趋势一致的挠曲变形,即两个侧墙均向车体外凸出,中部凸出最为严重,极大破坏了纵向母线直线度。针对这一现象,本文采用了优化焊接次序和焊后火焰矫形的方法来减小车体焊后挠曲变形,并在火焰矫形的模拟计算中采用自行设计的子程序来实现水枪断续行走的动态过程。结果表明,优化的焊接次序和火焰矫形都可以在一定程度上改善焊后挠曲变形。本文还模拟了实际火焰矫形工作中由于不规范操作而出现的压曲失稳变形,研究了火焰加热位置、角度、加热温度等对其影响规律,以此来指导实践生产,保证既可实现对焊后变形的合理调控,又能避免矫形过程中可能出现的压曲失稳变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 铝合金高速列车制造的概述及发展现状
• 1.2.1 铝合金高速列车体的概述
• 1.2.2 铝合金车体制造的关键技术
• 1.3 火焰矫形
• 1.3.1 火焰矫形法的原理
• 1.3.2 火焰矫形的影响因素
• 1.3.3 火焰矫形的加热方式
• 1.4 数值模拟技术在焊接领域的应用
• 1.4.1 数值模拟在焊接应力与变形分析领域的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 小尺寸原结构模型的焊接模拟计算及实验验证
• 2.1 高温拉伸试验
• 2.2 小尺寸复杂结构模型的建立
• 2.2.1 材料性能参数
• 2.2.2 边界条件的定义
• 2.3 小尺寸复杂结构焊接模拟结果分析
• 2.3.1 焊接温度场分析与实验验证
• 2.3.2 焊接变形的分析与实验验证
• 2.3.3 焊接残余应力的分析与实验验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 复杂铝合金车体结构的等效简化
• 3.1 静载弯曲等效
• 3.2 焊接情况下的等效优化分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 车体装配焊接后的变形
• 4.1 固定节点温度加热方式可行性的验证
• 4.2 车体装配焊接后的变形
• 4.3 车体装配焊接次序的优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 火焰矫形
• 5.1 引言
• 5.2 火焰矫形工艺参数的确定
• 5.3 车体结构模型的火焰矫形模拟结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢