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转向架构架T型接头焊接温度场与应力场数值模拟

作　者: 王蓉
导　师: 刘巧伶; 徐涛
学　校: 吉林大学
专　业: 固体力学
关键词: T型接头温度场应力场数值模拟
分类号: U270.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

焊接过程是一个非常复杂的过程，它涉及到电、热、力、金属相变等方面的内容，如果通过计算机数值模拟能够准确的模拟出焊接过程中的各种现象，对焊接结构的设计，材料的选择和焊接工艺的优化有着非常重要的意义。转向架构架是转向架的重要部件，为保证列车的使用安全和运行品质，要求转向架构架既要有足够的强度和刚度，又要有适当的弹性、良好的抗冲击性能及耐疲劳性能。构架中焊接接头以T型接头为主，焊接结构中最常见的接头形式是T型接头，但目前在T型接头焊接方面的数值模拟研究相对较少。在实际生产中，大型结构一般采用焊接方法进行加工制造，因此焊接质量的好坏直接影响着产品的质量，进而对企业的经济效益和使用者的生命安全起到非常重要的作用。本文主要做了如下几个方面的研究工作：1.在Hypermesh中建立有限元分析模型。考虑到随温度的变化材料的性能参数也将发生改变，对有限元模型进行网格划分时采用分区的方式，焊缝区和近焊缝区采用较小的网格，远离焊缝区的由内至外网格逐渐增大。通过一定的方法选择了恰当的时间步长，并引用生死单元技术。2.本文对温度场和应力场之间的耦合，采用的是间接耦合方法对其进行模拟分析计算，先对温度场进行模拟计算，将计算出的准确的结果保存，再将温度场结果以载荷的形式施加到应力场中进行应力场的模拟计算。3.温度场结果分析给出了加热和冷却过程中不同时刻温度分布图，以及加热过程中焊缝中心线不同时刻温度的变化趋势。应力场分析结果给出了加热和冷却过程中不同时刻的应力分布图，以及加热过程中焊缝中心点横向应力和纵向应力的变化曲线。通过对计算结果的分析得到变化规律，为焊接结构的工艺设计提供参考依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 课题研究的目的及意义  9-10
  1.2 焊接数值模拟的国内外研究现状  10-20
    1.2.1 焊接温度场国内外研究现状  11-14
    1.2.2 焊接应力应变场的研究现状  14-20
第2章焊接温度场的理论分析  20-32
  2.1 焊接温度场热源模型分析  20-25
    2.1.1 Rosonthal 的解析模式  20-21
    2.1.2 高斯分布热源模型  21-22
    2.1.3 双椭球热源模型  22-23
    2.1.4 均匀热源模型  23
    2.1.5 组合热源模型  23-24
    2.1.6 热源分布函数的选用  24-25
  2.2 焊接传热的基本形式  25-26
    2.2.1 热传导定律  25
    2.2.2 对流换热定律  25-26
    2.2.3 辐射换热定律  26
  2.3 焊接温度场的基本方程  26-27
  2.4 非线性瞬态热传导的有限元分析  27-31
    2.4.1 空间域的离散  28-29
    2.4.2 时间域的离散  29-30
    2.4.3 非线性热传导方程的解法  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第3章焊接应力场分析理论  32-42
  3.1 焊接内应力的基本概念  32-33
  3.2 热弹塑性分析的特点和假定  33-34
  3.3 塑性理论  34-36
    3.3.1 Von Mises 屈服准则  34-35
    3.3.2 塑性流动法则  35
    3.3.3 强化准则  35-36
  3.4 焊接塑性有限元法的基本理论  36-40
    3.4.1 分析焊接动态过程的塑性理论  36-37
    3.4.2 考虑力学性能与温度有关的应力—应变关系  37-39
      3.4.2.1 弹性区  37-38
      3.4.2.2 塑性区  38-39
    3.4.3 平衡方程  39-40
  3.5 本章小结  40-42
第4章转向架 T 型接头温度场及应力场数值模拟  42-62
  4.1 焊接温度场与应力场的计算方法  42-43
  4.2 焊接有限元模型的选取与建立  43-50
    4.2.1 转向架的三维结构图  43
    4.2.2 焊接接头模型的选取  43-44
    4.2.3 几何模型的确定  44-45
    4.2.4 确定单元类型及网格划分  45-46
    4.2.5 定义材料属性  46-50
      4.2.5.1 材料物理性能参数的定义  46-48
      4.2.5.2 材料力学性能参数的定义  48-50
  4.3 焊接过程温度场的模拟分析  50-57
    4.3.1 焊接热源载荷的施加  50-53
      4.3.1.1 生死单元技术  50-51
      4.3.1.2 热源的选取  51-52
      4.3.1.3 热源功率的确定  52
      4.3.1.4 热源的移动  52-53
    4.3.2 温度场的求解  53-57
      4.3.2.1 设定载荷步选项  54
      4.3.2.2 温度场求解中时间步长的确定  54-55
      4.3.2.3 设定瞬态积分参数和使用线性搜索  55
      4.3.2.4 主要求解命令流解析  55-57
  4.4 焊接过程应力应变场的模拟分析  57-61
    4.4.1 应力应变场时间步长的确定  57-58
    4.4.2 应力加载求解  58
    4.4.3 主要求解命令流解析  58-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章焊接温度场及应力场计算结果分析  62-78
  5.1 对温度场及应力场的后处理  62-63
  5.2 焊接温度场的分布和结果分析  63-69
    5.2.1 温度场的分布  63-67
    5.2.2 移动焊接热源前后方不同时刻的温度场分布  67-68
    5.2.3 焊缝中心线上各点温度变化  68-69
  5.3 焊接应力场的分布和结果分析  69-75
  5.4 本章小结  75-78
第6章结论与展望  78-80
  6.1 结论  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-84
致谢  84

转向架构架T型接头焊接温度场与应力场数值模拟

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