Monel-400合金圆筒环焊温度场及应力场的数值模拟

论文摘要

焊接是一门重要的制造技术，焊件残余应力直接影响着整个焊件的组织和性能。焊接温度场又是焊件残余应力产生的主要原因，研究焊件温度场和应力场就显得十分重要。如果直接进行实验测定的话，大部分情况需要很大的精力、物力和财力，所以通过数值模拟计算可以很好地解决这一问题。本文利用ANSYS11.0有限元分析软件对Monel-400合金圆筒环焊缝焊接温度场和应力场进行三维的数值模拟计算。首先建立Monel-400合金圆筒有限元模型，然后对其进行网格划分。为保证计算结果的精确性，采取焊缝及其附近区域网格尺寸较小、远离焊缝区域逐渐增大的方法对模型划分网格。以焊接温度作为焊接热源模型，运用生死单元技术来模拟焊接热生成和焊缝金属的填充过程，得到焊接温度场结果。然后，运用热-应力间接耦合法，将热分析得到的结果温度，作为计算应力场的温度载荷，进行焊接应力场的数值模拟计算，最后得到焊接应力场的分布情况。并对板的对接焊进行焊接试验和模拟计算，通过对比试验和模拟结果得出：所建立的计算模型是准确的。通过对圆筒环焊温度场计算结果的分析得出温度场的分布规律，并在圆筒的两个不同截面上选取节点，进行对节点热循环曲线的绘制。通过对不同节点热循环曲线的分析得出圆筒不同位置温度场的变化规律：距离焊接热源近的节点升温速率快，降温速率也较快，远离焊接热源的节点温度上升较慢，温度下降也较慢。利用温度场的计算结果进行应力场的计算，得到距离焊缝不同时间、不同位置的瞬时等效应力变化情况。然后选取两个不同位置的截面，在两个截面上分别建立四条路径，并分别对四条路径的径向残余应力、轴向残余应力、环向残余应力、等效应力进行分析，得出两个截面上应力场的变化规律：径向残余应力最小，环向残余应力最大，最大值达到223MPa。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 Monel-400 合金简介及其焊接性
• 1.1.1 Monel-400 合金简介
• 1.1.2 Monel-400 合金的焊接性
• 1.2 焊接温度场有限元发展概况
• 1.2.1 国外焊接温度场有限元分析发展概况
• 1.2.2 国内焊接温度场有限元分析发展概况
• 1.3 焊接应力场有限元分析的发展概况
• 1.3.1 国外焊接应力场有限元分析的发展概况
• 1.3.2 国内焊接应力场有限元分析的发展概况
• 1.4 本文研究的主要内容及意义
• 2 ANSYS 软件介绍及焊接模拟理论及圆筒模型的建立
• 2.1 ANSYS 软件介绍
• 2.1.1 ANSYS 的功能
• 2.1.2 ANSYS 的特点
• 2.2 焊接温度场数值模拟理论
• 2.2.1 确定焊接传热的基本形式
• 2.2.2 焊接传热有限元基本方程
• 2.2.3 焊接热传导有限元计算理论基础
• 2.3 焊接应力场的数值模拟理论
• 2.3.1 焊接应力场塑性准则
• 2.3.2 焊接热弹塑性有限元法
• 2.4 板对接焊接温度场的数值模拟和试验测试
• 2.4.1 板对接焊有限元模型的建立
• 2.4.2 加载计算
• 2.4.3 焊接温度场测定实验
• 2.4.4 计算结果及分析
• 2.4.5 离焊缝不同距离处的节点温度分布
• 2.4.6 实验结果和模拟结果比较及分析
• 2.5 圆筒模型的建立
• 2.5.1 单元的确定
• 2.5.2 圆筒模型的建立
• 2.5.3 划分网格
• 2.5.4 单元生死技术
• 2.5.5 焊接热源的确定
• 3 圆筒环向焊接三维温度场计算结果及分析
• 3.1 圆筒环向焊接边界条件的确定
• 3.2 热源和焊接工艺参数
• 3.3 圆筒环焊焊接温度场的后处理及结果分析
• 3.3.1 焊接过程温度场分析
• 3.3.2 焊接热循环曲线分析
• 3.4 本章小结
• 4 圆筒环向焊接三维应力场计算结果及分析
• 4.1 热－应力场耦合分析和边界条件
• 4.2 圆筒环焊应力场结果及分析
• 4.2.1 焊接过程中的等效应力场分析
• 4.2.2 焊接道次之间等效应力场分析
• 4.2.3 瞬时等效应力变化分析
• 4.2.4 应力－路径分析
• 4.2.5 焊后变形分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢