铝合金组件钎焊变形及应力有限元分析

论文摘要

3A21是具有塑性高、加工性好,良好的抗蚀性及焊接性的铝合金,作为一种结构材料在当今航空航天领域中的应用越来越广泛,在实际应用中往往需要采用焊接方法使之成为特定形状的构件,对于形状尺寸精度要求很高而接头强度要求次之的构件,采用钎焊方法比较合适。由于在钎焊过程中,钎料与母材之间的力学性能、热物理性能的差别,特别是线膨胀系数的差别,因此在焊接过程中会在焊接接头附近产生较大的热应力,引起焊接构件的变形,这会影响结构件的尺寸精度,导致结构件的加工失效,浪费原材料增加生产成本。因此分析结构件钎焊后的残余应力对结构设计和工艺参数优化,以便获得可靠的钎焊结构具有一定的指导意义。本论文通过采用Marc非线性有限元软件,采用热弹塑性有限元方法,在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下,对铝合金钎焊接头在钎焊后的变形及应力分布进行了分析。并在此基础上,对铝合金箱体结构在钎焊过程中的箱体整体变形及应力分布进行了分析,并用三维坐标移对箱体的变形进行了测量以验证模拟的可靠性。优化箱体钎焊的夹持状态,并计算优化工艺条件下的箱体变形及应力分布情况。模拟结果表明:铝合金钎焊接头在钎焊后产生的y向应力和z向应力对接头的强度影响较大;在接头中上铝板与钎料接触面处达到最大值为164Mpa的残余应力。钎缝厚度为1mm左右时焊后残余应力值最小,在铝合金接头上施加一定的y向压力,可以有效的降低焊后残余应力。模拟原有夹持工艺条件下箱体整体钎焊结果表明:箱体的最大变形出现在箱体背板上,最大变形量为11.49mm;箱体的上板上边缘在y方向上的变形范围为0～1.375mm,上铝板中线在y方向上的变形范围为2.128～4.245mm。箱体的最大残余应力出现在箱体背板根部边缘,其最大残余应力为155.8MPa。模拟优化工艺条件下箱体整体钎焊结果表明:箱体的整体变形量减小,背板处的最大变形量为1.25mm,上板中线在在y方向的变形范围为1.180～1.958mm。箱体的残余应力有所降低,在背板根部边缘的最大残余应力为140.1 MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 铝合金的性能及应用
• 1.2 铝合金钎焊现状
• 1.2.1 铝合金钎焊方法
• 1.2.2 铝合金真空钎焊技术
• 1.3 焊接数值模拟现状
• 1.3.1 钎焊数值模拟的国外现状
• 1.3.2 钎焊数值模拟国内现状
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 弹塑性有限元分析的理论基础
• 2.1 前言
• 2.2 MARC简介
• 2.3 钎焊数值模拟依据的有限元分析理论
• 2.3.1 理论解析的假设
• 2.3.2 采用的热弹塑性力学模型
• 2.3.3 热弹塑性增量本构关系
• 2.3.4 热弹塑性有限元方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 钎焊接头残余应力的数值模拟
• 3.1 钎焊接头有限元建模及模拟条件
• 3.1.1 材料性能参数
• 3.1.2 钎焊接头网格划分
• 3.1.3 边界条件的处理
• 3.2 3A21钎焊后接头残余应力及变形分析
• 3.2.1 真空钎焊过程的整体变形情况
• 3.2.2 钎焊后的残余应力分布情况
• 3.2.3 钎焊接头应力随时间的变化趋势
• 3.3 影响残余应力的因素
• 3.3.1 钎料厚度对残余应力的影响
• 3.3.2 钎焊压力对残余应力的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 箱体钎焊后的变形及应力分析
• 4.1 研究对象
• 4.2 箱体钎焊的三维分析
• 4.2.1 有限元建模
• 4.2.2 边界条件和初始条件的定义
• 4.3 钎焊后箱体整体变形及应力分析
• 4.3.1 钎焊后箱体整体变形情况
• 4.3.2 钎焊后箱体应力分布情况
• 4.4 箱体变形实验结果及比较
• 4.5 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 箱体钎焊夹持工艺优化
• 5.1 箱体钎焊夹持工艺优化方案
• 5.2 优化工艺变形对比分析
• 5.3 优化工艺应力对比分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文