高强度钢焊接结构液压支架的工程分析

论文摘要

液压支架是现代化高产高效矿井中保证作业空间和安全生产的重要设备,其安全性和可靠性直接决定着综合机械化采煤技术的成败。为保证支架的设计和制造质量,需要知道液压支架在各种工况下的应力、应变等数据。由于传统的“简化模型分析加实验室强度试验”的方法,具有模型精确性差、实验数据少、耗时耗资大等局限性,近年来有关研究人员和工程技术人员开始利用有限元技术对液压支架及其部件的强度进行分析。液压支架设计与强度校核,不再是以前的简单计算,已经迈入了精益化、信息化的新阶段。但目前的分析大都忽略了焊接对支架强度的影响,而实际作为焊接结构的液压支架往往在焊缝处最先出现断裂失效,特别是高强度钢焊接对支架强度的影响更为显著,所以此种分析结果的准确性和可靠性较低。针对以上情况,本课题以传热理论、热弹塑性理论以及有限元理论为基础,分析ZFS6200型液压支架的主要承载构件(顶梁)上各主要焊缝的焊接残余应力;在考虑焊接残余应力的基础上,分析顶梁在危险工况下的强度;并与未考虑焊接残余应力时的强度分析结果进行比较,以考察焊接残余应力对顶梁强度的影响,从而对液压支架的设计和分析提供更接近实际、更可靠的参考数据。本文共分六章,从焊接残余应力理论、焊接温度场分析到残余应力场分析、热处理模拟,以至强度分析,逐步深入层层展开;详细介绍了项梁焊接温度场、残余应力场分析的相关力学与传热学理论与实现方法;研究探讨了顶梁焊接残余应力场的分析策略、分析模型的简化处理、温度场分析的热源模型选择、热处理模拟以及强度分析中施加残余应力的方法;并对模拟计算结果进行了分析,通过与理论、与实验数据对比,验证了本文所用方法的正确性。最后综述了全文的工作要点,指出本研究的主要优点和不足,并对今后的发展作了进一步展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压支架简介及技术现状
• 1.1.1 液压支架简介
• 1.1.2 液压支架技术现状
• 1.2 有限元分析技术与其现状
• 1.2.1 有限元方法概述
• 1.2.2 有限元分析技术现状
• 1.2.3 有限元技术在液压支架上的应用现状
• 1.3 焊接数值模拟技术简述
• 1.4 课题的提出与意义
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 焊接残余应力概述
• 2.1 焊接残余应力的分类与产生机理
• 2.2 焊接残余应力的分布规律
• 2.2.1 纵向残余应力的分布规律
• 2.2.2 横向残余应力的分布规律
• 2.2.3 相变对残余应力分布的影响
• 2.3 残余应力对支架性能的影响
• 2.4 焊接残余应力的控制
• 2.4.1 结构设计措施
• 2.4.2 材料选择
• 2.4.3 制造工艺
• 2.5 焊后热处理
• 2.5.1 热处理消除残余应力的原理
• 2.5.2 焊后热处理工艺
• 2.6 焊接残余应力的数值分析方法简述
• 2.7 本章小结
• 第三章 未考虑残余应力时的顶梁强度分析
• 3.1 顶梁的建模
• 3.2 强度分析
• 3.2.1 模型的导入
• 3.2.2 单元类型选择
• 3.2.3 加载及求解
• 3.2.4 约束处理
• 3.2.5 载荷处理
• 3.2.6 求解
• 3.3 有限元分析结果
• 3.3.1 顶梁扭转分析结果
• 3.3.2 顶梁偏载分析结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 焊接温度场分析
• 4.1 温度场分析的理论基础
• 4.1.1 热传导基本微分方程
• 4.1.2 热传导有限元方程的基本型式
• 4.1.3 有限元方程的解法
• 4.2 焊接温度场有限元分析模型的建立
• 4.2.1 实体模型的简化
• 4.2.2 热物理性能
• 4.2.3 单元类型选择与网格划分
• 4.3 加载与求解
• 4.3.1 热源的加载
• 4.3.2 熔化潜热的处理
• 4.3.3 求解设置
• 4.4 温度场计算结果与分析
• 4.4.1 底板肋板焊缝焊接温度场结果分析
• 4.4.2 顶板焊缝焊接温度场结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 焊接残余应力分析
• 5.1 塑性材料的本构关系
• 5.1.1 屈服条件
• 5.1.2 强化条件
• 5.1.3 流动法则
• 5.1.4 加载准则
• 5.1.5 应力应变关系（增量理论）
• 5.2 热弹塑性力学基础
• 5.2.1 热弹塑性应力应变关系
• 5.2.2 热弹塑性有限元解法
• 5.3 ANSYS热弹塑性力学分析技术
• 5.3.1 弹塑性分析
• 5.3.2 热力耦合分析
• 5.4 基于ANSYS的焊接残余应力分析
• 5.4.1 材料属性与分析设置
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.5 热处理消残过程模拟
• 5.5.1 底板热处理分析结果
• 5.5.2 顶板热处理计算结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 考虑焊接残余应力的支架顶梁强度分析
• 6.1 引入残余应力的方法
• 6.1.1 方法综述
• 6.1.2 具体步骤
• 6.2 考虑残余应力的顶梁强度分析
• 6.2.1 分析设置
• 6.2.2 计算结果分析
• 6.3 本章小结
• 总结展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表