异厚度铝合金激光拼焊数值模拟

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，我们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。利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析。为了提高计算精度和效率，采用过渡网格划分形式划分网格以保证焊缝处网格足够细小。选取高斯函数分布的热源模型，利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现移动热源的加载。在模拟中既考虑一般激光焊接中材料热物理性能参数的温度相关性、熔化潜热、边界条件、等离子体、熔池对流、保护气体等对温度场的影响，又考虑异厚度铝合金激光拼焊的特性。利用高温热电偶检测异厚度铝合金激光拼焊过程中的温度场，将模拟值与实测值进行对比分析，结果表明模拟值与实测值吻合良好。采用间接法模拟应力应变场。定义弹性模量E，热膨胀系数α，泊松比μ等随温度变化的材料力学参数值。指定塑性分析选项为经典的双线性随动强化(BKIN)。边界条件约束焊件的自由度，以模拟夹具的作用。模拟结果显示，由于厚度不同，薄厚两板应力应变场存在差异，薄板焊缝附近的应力场范围较大，变形比厚板复杂且比厚板大。利用小孔释放法检测异厚度铝合金激光拼焊板的残余应力，将模拟值与实测值进行对比分析，结果显示模拟值与实测值吻合良好。对异厚度铝合金激光拼焊的熔化过程进行分析。选用三种不同的热源模型：高斯面热源、体热源、组合热源，利用ANSYS软件对异厚度铝合金激光拼焊的温度场进行三维瞬态有限元分析，观察三种热源模型形成的熔池形状(即焊缝形状)。结果表明：采用组合热源模型模拟的焊缝形状与实际拼焊的焊缝形状最为接近，证明分析的合理性。利用异厚度铝合金激光拼焊间隙填充模型，建立偏移量与间隙、工件厚度比、激光光束半径的定量关系式，关系式中偏移量与间隙、激光光束半径成正比，与工件厚度比成反比。在异厚度铝合金激光拼焊工艺实验中，选取不同的工件厚度比进行偏移定量关系式的验证实验。实验结果表明：理论计算值与工艺实验值基本吻合。理论计算值可以作为异厚度铝合金激光拼焊工艺实验的定量参考值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 激光剪裁拼焊板研究现状
• 1.2.2 激光焊接数值模拟研究历史及现状
• 1.3 焊接有限元分析的理论基础
• 1.3.1 有限元法概述
• 1.3.2 有限元分析的理论基础
• 1.3.2.1 温度场的控制方程
• 1.3.2.2 初始条件和边界条件
• 1.3.2.3 温度场有限元求解
• 1.3.2.4 热应力场有限元求解
• 1.3.3 基于 ANSYS软件的激光焊接数值模拟
• 1.3.3.1 ANSYS软件简介
• 1.3.3.2 基于ANSYS软件激光焊接数值模拟过程
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2激光拼焊温度场数值模拟'>第二章 异厚度铝合金CO₂激光拼焊温度场数值模拟
• 2.1 有限元分析模拟过程
• 2.1.1 有限元模型的建立及网格划分
• 2.1.2 热源模型的选取
• 2.1.3 材料物理性能参数的选取
• 2.1.4 边界条件的处理
• 2.1.5 相变潜热的影响
• 2.1.6 光致等离子体和熔池对流的影响
• 2.1.7 异厚度铝合金激光拼焊特点的影响
• 2.1.8 收敛准则和求解器
• 2.1.9 加载与求解
• 2.2 温度场模拟结果分析
• 2.3 温度场测试实验
• 2.3.1 工艺实验设备
• 2.3.2 实验材料与方法
• 2.3.3 测试方法
• 2.4 实验测试与模拟结果对比
• 2.5 工艺参数对异厚度铝合金激光拼焊温度场的影响
• 2.5.1 激光有效作用半径的影响
• 2.5.2 激光功率对温度场的影响
• 2.5.3 焊接速度对温度场的影响
• 2.6 本章小结
• 2激光拼焊应力应变场数值模拟'>第三章 异厚度铝合金CO₂激光拼焊应力应变场数值模拟
• 3.1 有限元建模过程
• 3.2 应力场模拟结果分析
• 3.3 应变场模拟结果分析
• 3.4 残余应力场测试实验
• 3.4.1 主要测试设备
• 3.4.1.1 电阻应变花
• 3.4.1.2 静态电阻应变仪测量与采集系统
• 3.4.2 测试实验步骤与方法
• 3.5 实验测试与模拟结果对比
• 3.6 工艺参数对异厚度铝合金激光拼焊残余应力场的影响
• 3.6.1 激光有效作用半径对残余应力应变场的影响
• 3.6.2 激光功率对应力应变场的影响
• 3.6.3 焊接速度对应力应变场的影响
• 3.7 本章小结
• 2激光熔化特性研究'>第四章 异厚度铝合金CO₂激光熔化特性研究
• 4.1 熔化模型的建立
• 4.2 有限元模拟验证与分析
• 4.3 本章小结
• 2激光拼焊光束偏移关系式的建立'>第五章 异厚度铝合金CO₂激光拼焊光束偏移关系式的建立
• 5.1 间隙填充模型的建立
• 5.2 偏移量经验公式的推导
• 5.3 关于间隙值的讨论
• 5.4 实验系统
• 5.5 实验结果与理论计算结果的对比分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文