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基于仿真的铝合金型材焊接残余应力研究

作　者: 李灿
导　师: 傅定发
学　校: 湖南大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 焊接残余应力数值模拟焊接顺序焊接参数
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 33次
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内容摘要

焊接结构由于具有诸多优点而广泛应用于船舶、车辆、海洋工程、航空航天等领域。由于焊接是一个局部加热至高温然后快速冷却的过程，焊件中不可避免的产生较大的焊接残余应力，这种不均匀的残余应力严重影响焊接结构的承载能力、强度和精度。因此，对焊接残余应力进行预测、优化焊接工艺对于控制和消除焊接残余应力具有重大的实际意义。其中，通过数值模拟的方法来研究焊接残余应力，不仅减少了实验的盲目性，也可以有效降低研究成本。本文利用大型非线性有限元软件ABAQUS对6061-T6铝合金管-板接头焊接温度场和应力场进行了数值模拟，得到了多条焊缝耦合下的温度场和残余应力场分布规律。由于模型是三维的，考虑到焊接电弧的穿透作用，选取椭球形体积分布热源作为焊接热源，并通过FORTRAN语言编写循环加载子程序，将椭球形热源以热流密度的形式加载到焊缝上，从而实现热源的移动加载。为了提高数值计算的精度，本文充分考虑了材料物理性能在不同温度下的非线性变化。考虑焊接过程中温度场和应力场之间的双向耦合关系，选取热-结构直接耦合法来同时求解温度场和应力场，使计算过程更接近于实际焊接过程。焊接过后利用X射线衍射法对焊缝附近的残余应力分布进行实验验证，模拟值与实测结果在焊缝及其附近位置吻合较好。为了研究焊接工艺对残余应力的影响，首先对九种不同焊接顺序下管-板接头的残余应力分布进行模拟计算，发现分段退焊法可以有效降低焊件的残余应力分布。其次，选取焊接电流、电弧电压和焊接速度来研究焊接工艺参数对残余应力的影响，结果表明，焊接工艺参数对焊接残余应力的分布规律没有影响，但影响残余应力的峰值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-23
  1.1 前言  10-11
  1.2 焊接成型的特点  11-13
    1.2.1 焊接成型的优点  11
    1.2.2 焊接成型的不足  11
    1.2.3 铝合金焊接特点  11-13
  1.3 焊接残余应力  13-16
    1.3.1 焊接残余应力概念  13
    1.3.2 焊接残余应力的产生机理  13-14
    1.3.3 焊接残余应力的特性  14-15
    1.3.4 焊接残余应力对焊接结构的影响  15-16
  1.4 焊接数值模拟国内外研究现状  16-20
    1.4.1 焊接热过程有限元分析的研究进展  16-17
    1.4.2 焊接残余应力有限元分析的研究进展  17-19
    1.4.3 焊接残余应力进一步研究进展  19-20
  1.5 焊接数值分析难点  20-21
  1.6 本文的研究内容及意义  21-23
第2章实验条件与方法  23-28
  2.1 实验材料  23
  2.2 焊接方法及参数选择  23-24
  2.3 残余应力测试  24-28
    2.3.1 残余应力测试方法及选择  24-25
    2.3.2 X 射线应力测试原理  25-26
    2.3.3 应力测试设备及参数  26-27
    2.3.4 测试过程  27-28
第3章基于 ABAQUS 的焊接数值模拟及实验验证  28-52
  3.1 焊接成型数值分析的简化  28-29
  3.2 焊接传热学基本知识  29-32
    3.2.1 热传导基本定律  29-30
    3.2.2 焊接传热微分方程  30
    3.2.3 焊接传热过程的有限元计算  30-32
  3.3 焊接应力应变理论  32-34
    3.3.1 屈服准则  32
    3.3.2 流动准则  32-33
    3.3.3 强化准则  33
    3.3.4 焊接热弹塑性理论  33-34
  3.4 焊接温度场计算  34-44
    3.4.1 模型建立与网格划分  34-35
    3.4.2 单元的选择  35
    3.4.3 材料的热物理特性  35-36
    3.4.4 焊接热源模型  36-40
    3.4.5 边界条件及载荷施加  40
    3.4.6 温度场计算结果及分析  40-44
  3.5 焊接应力场计算  44-49
    3.5.1 前处理  44
    3.5.2 位移边界条件  44-45
    3.5.3 应力场的求解特点  45
    3.5.4 应力场的计算结果及分析  45-49
  3.6 应力实测值与模拟结果的对比  49-51
  3.7 本章小结  51-52
第4章焊接工艺条件对残余应力的影响  52-61
  4.1 焊接顺序对残余应力的影响  52-55
    4.1.1 管-板接头管内残余应力分布  52-54
    4.1.2 焊接顺序优化  54-55
  4.2 焊接工艺参数对残余应力的影响  55-60
    4.2.1 焊接电流对残余应力的影响  55-57
    4.2.2 电弧电压对残余应力的影响  57-58
    4.2.3 焊接速度对残余应力的影响  58-60
  4.3 本章小结  60-61
结论与展望  61-63
参考文献  63-69
致谢  69-70
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文  70-71
附录 B 焊接热源程序  71-73

基于仿真的铝合金型材焊接残余应力研究

内容摘要

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