12mm厚TC4钛合金板电子束焊接温度场应力场三维有限元数值模拟

论文题目: 12mm厚TC4钛合金板电子束焊接温度场应力场三维有限元数值模拟

论文类型: 硕士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 胡美娟

导师: 刘金合

关键词: 钛合金,电子束焊接,数值模拟,温度场,应力场,残余应力

文献来源: 西北工业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 钛合金比强度高、耐腐蚀性好、熔点高、高温性能好,因而能满足航空、宇航、核反应堆等尖端技术领域的严格要求。电子束焊接由于化学成分纯净、能量密度高、焊接接头热影响区小等一系列优点成为钛合金焊接的首选。 电子束焊接属于局部高温加热,高功率密度的热输入集中作用在焊缝附近,造成焊接区温度的急剧变化并在工件内部形成较高的温度梯度,并导致焊后产生较大的残余应力。焊接残余应力的存在是导致裂纹产生和影响结构强度、使用性能的重要因素。因此,分析电子束焊接过程中温度和热应力的发展过程,深入研究残余应力的形成机理具有重要的工程实际意义。 本研究在西北工业大学2-64位集群系统高性能计算系统环境下,基于ANSYS的虚拟试验平台,以12mm厚TC4钛合金平板为研究对象,建立了真空电子束焊接的温度场有限元数值计算模型。通过对电子束深熔焊接特点的分析,提出了圆锥形体热源模型,并对电子束焊接温度场进行了数值模拟。模拟的熔池形状和焊缝形貌与文献结果有良好的一致性。在温度场分析的基础上,基于热弹塑性有限元理论建立了钛合金应力场有限元数值计算模型。计算获得了TC4钛合金真空电子束焊接热应力的发展历史和残余应力的分布特征。平板工件中心存在较大的残余应力分布区。在横向距焊缝中心10mm内存在300MPa～594MPa的残余应力。厚度方向上垂直应力以压应力为主,最大值约400MPa位于工件的中心。 真空电子束的聚焦束斑直径约为0.1mm～1mm,因此在空间上对焊缝附近区域的网格划分需要比普通焊接方法时细的多,导致计算量大大增加。本文通过在集群系统计算环境下ANSYS的并行计算,在保证计算精度的前提下,显著的提高了计算速度,为大型复杂焊接构件的计算奠定了基础。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 钛合金及钛合金的焊接

1.2.1 钛合金的基本特性与应用

1.2.2 钛合金的焊接

1.3 真空电子束焊接

1.3.1 电子束和电子束焊接

1.3.2 电子束焊接的特点和分类

1.3.3 真空电子束设备

1.3.4 电子束焊接的应用

1.4 焊接过程的数值模拟

1.4.1 焊接温度场数值模拟的研究现状

1.4.2 焊接应力场数值模拟的研究现状

1.5 选题的背景与意义

1.6 本文主要研究内容

第2章 焊接热弹塑性有限元分析的理论基础

2.1 前言

2.2 有限单元法

2.3 ANSYS简介

2.4 焊接温度场分析计算的基本原理

2.4.1 数学模型

2.4.2 非线性热传导分析的收敛判定

2.5 焊接应力场分析计算的基本原理

2.5.1 热弹塑性理论

2.6 本章小结

第3章 钛合金电子束焊接有限元模型

3.1 耦合场分析

3.2 温度场分析

3.2.1 单元类型

3.2.2 几何模型和网格划分

3.2.3 材料属性

3.2.4 热源模型

3.2.5 热源有效利用率

3.2.6 加载和求解

3.3 应力场分析

3.3.1 单元类型

3.3.2 本构方程

3.3.3 材料属性

3.3.4 加载和求解

3.4 本章小结

第4章 焊接温度场计算结果及讨论

4.1 焊接温度场整体分布

4.2 冷却过程温度场分布

4.3 本章小结

第5章 焊接应力场计算结果及讨论

5.1 焊接过程中典型横向截面应力应变分析

5.2 焊接残余应力

5.2.1 横截面残余应力分布

5.2.2 纵截面残余应力分布

5.2.3 厚度方向残余应力分布

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表和待发表的论文

致谢

发布时间: 2005-06-27

参考文献

• [1].TC4钛合金线性摩擦焊接过程数值模拟研究[D]. 梁荣环.南昌航空大学2014
• [2].TC4激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 王凯.北京石油化工学院2018
• [3].TC4板材金字塔点阵节点下压成形工艺及力学性能模拟[D]. 赵孔勋.山东大学2018
• [4].TC4钛合金超声振动高速走丝电火花线切割复合加工的研究[D]. 王璟.中北大学2017
• [5].TC4合金四层板舵体结构件超塑成形工艺研究[D]. 张臣.机械科学研究总院2017
• [6].重型燃机TC4压气机叶片喷丸及其对疲劳性能的影响[D]. 张秀梅.哈尔滨工业大学2016
• [7].基于钛合金（TC4）材料的义齿逆向设计及3D打印技术研究[D]. 马丹.辽宁工业大学2017
• [8].TC4钛合金粉末成形及数值模拟研究[D]. 马玉龙.南京航空航天大学2016
• [9].TC4钛合金薄壁件激光焊接数值模拟研究[D]. 胡宝.天津大学2014
• [10].随焊冲击旋转挤压法控制TC4薄板失稳变形机理研究[D]. 李海龙.哈尔滨工业大学2011

相关论文

• [1].TC4钛合金电子束焊接接头组织形态与性能的研究[D]. 尹丽香.大连交通大学2006
• [2].铝合金、钛合金电子束焊接接头组织、性能和焊接性能研究[D]. 常艳君.内蒙古工业大学2005
• [3].铝及铝合金电子束焊接残余应力的实测与模拟[D]. 郭桂芳.内蒙古工业大学2005
• [4].中厚板焊接温度场及应力场数值计算[D]. 李凌.天津大学2006
• [5].钛合金电子束焊接接头力学性能与微观结构关系的研究[D]. 朱蕴卿.北京工业大学2007
• [6].中厚板多道焊焊接过程中温度场和应力场的三维数值模拟[D]. 梁晓燕.华中科技大学2004
• [7].焊接温度场和应力场的数值模拟[D]. 王长利.沈阳工业大学2005
• [8].铝合金筒体焊接温度场和应力应变场的三维数值模拟[D]. 顾立志.天津大学2005
• [9].基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究[D]. 谢元峰.武汉理工大学2006
• [10].焊接应力和变形的数值模拟研究[D]. 李冬林.武汉理工大学2003

标签：钛合金论文;  电子束焊接论文;  数值模拟论文;  温度场论文;  应力场论文;  残余应力论文;