盾构机刀盘典型部位焊接过程的数值模拟与研究

论文摘要

盾构机刀盘属于大型焊接结构,主要焊缝数量可达上百处。焊缝开裂甚至断裂是刀盘工作中的主要失效形式之一。焊缝处焊后残余应力以及变形情况对刀盘的寿命以及结构稳定性有着很大影响。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对刀盘在实际工作中的受力情况进行了有限元仿真分析,发现刀盘与法兰盘联接部位的焊缝及其周围承受应力最大,恰为刀盘事故分析报告中易出现裂纹的位置。因此,本文将该部位选取为刀盘典型部位,并将该部位提取出来并建立焊缝处多层多道焊的焊缝模型,基于有限元以及热弹塑性等相关理论模拟了典型部位焊接过程,并得出了该典型部位温度场、应力场分布变化以及最终的残余应力和变形情况。针对二氧化碳气体保护焊多层多道焊接厚板的情况,本文采用双椭球热源模型来模拟焊接过程的热能输入,对模型不同位置的对流情况分别作了讨论和处理。仿真结果表明,采用随着热源移动而逐段激活热源附近单元的单元生死技术可以准确模拟实际焊接过程中焊缝逐步成型的过程。本文对有限元模型整体的温度场分布和变化规律以及模型特定位置的热循环曲线变化情况进行了讨论和分析,并用直接耦合法将温度场结果作为力学分析的载荷,得出了模型纵向、横向和等效应力的应力循环曲线以及模型最终的变形情况。论文研究结果对开展盾构机刀盘的焊接工艺的研究具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 焊接温度场模拟分析研究现状
• 1.2.2 焊接应力、应变模拟分析的研究现状
• 1.2.3 盾构机刀盘研究现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立
• 2.1 盾构机刀盘受力的有限元分析
• 2.1.1 刀盘有限元模型的建立和力学分析
• 2.1.2 刀盘典型焊接部位的选取
• 2.1.3 刀盘典型焊接部位有限元模型的简化处理
• 2.2 刀盘典型焊接部位有限元模型建立与网格划分
• 2.3 材料特性参数的选取
• 2.4 热源模型的确定
• 2.4.1 高斯分布热源模型
• 2.4.2 半球形和椭球形热源模型
• 2.4.3 双椭球形热源模型
• 2.5 本章小结
• 3 刀盘典型部位焊接过程温度场模拟分析
• 3.1 温度场有限元理论
• 3.1.1 温度场传热问题的基本方程
• 3.1.2 稳态温度场的有限元法
• 3.1.3 瞬态温度场传热问题的基本方程
• 3.2 有限元模型以及边界条件的考虑与处理
• 3.3 有限元模型中多道焊移动热源的加载
• 3.3.1 有限元模型焊缝单元生死技术的讨论
• 3.3.2 有限元模型焊接速度的讨论与分析
• 3.4 有限元模型温度场的求解
• 3.5 有限元模型温度场的后处理及结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 刀盘典型部位焊接过程应力场模拟分析
• 4.1 有限元模型中的热-力耦合分析
• 4.2 热应力场有限元理论
• 4.2.1 温度与应变之间关系
• 4.2.2 屈服准则
• 4.2.3 流动准则
• 4.2.4 强化准则
• 4.3 刀盘典型部位焊接应力、应变分析
• 4.3.1 应力、应变模型处理
• 4.3.2 应力、应变场求解
• 4.3.3 焊接应力场分析
• 4.3.4 焊接应变场分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果