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焊接结构的残余应力研究

作　者: 佘昌莲
导　师: 严仁军
学　校: 武汉理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 焊接温度场焊接残余应力有限元数值模拟 T型角焊缝
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 32次
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内容摘要

焊接作为钢结构中的重要工艺,是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能,因此,对焊接残余应力进行计算和分析具有很重要的现实意义。本文从这一点出发,在总结前人工作的基础上结合数值计算的方法,运用有限元分析软件Ansys对焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维实时动态模拟的研究,提出了基于Ansys平台的焊接温度场和应力的模拟分析方法,并针对T型角焊问题进行了实例计算,而且计算结果与试验测量值基本吻合。本文首先对焊接过程中的温度场和应力场的基本理论和数值模拟分析方法进行了阐述。在数值模拟计算过程中,本文采用Ansys软件的热—结构耦合功能,利用间接耦合法,考虑了焊接温度场对应力应变场的单向耦合,对T型角焊缝焊接过程中以及焊后的温度场进行模拟计算。为了提高计算精度,本文对高温时的材料物理性能参数进行了适当的选取和处理,对焊缝处网格进行细化,选取高斯函数分布的热源模型,并利用Ansys软件的APDL语言编写程序实现焊接热源的移动加载。最后通过后处理,给出了焊接温度场的动态变化图,不同时刻焊缝处各点的温度分布曲线,并描述了焊缝中心线及其热响应区各点的热循环。在温度场计算准确的基础上,将相应的热单元转换为结构单元,进行焊接残余应力的计算。运用生死单元法,将超过材料熔点的单元“杀死”,激活没有超过熔点的单元,以动态模拟熔池金属的熔化和凝固。通过后处理,给出了焊缝横向和纵向热应力分布曲线以及焊缝部位残余应力的分布趋势。通过研究和实例验证,本文建立了可行的T型角焊缝的三维温度场、残余应力的动态模拟分析方法,为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、残余应力的分析提供了理论和指导,促进了有限元分析方法在焊接力学分析以及在实际工程中的应用。

全文目录

第1章绪论  9-20
  1.1 引言  9-11
  1.2 焊接残余应力的文献综述  11-18
    1.2.1 焊接残余应力的概念  11
    1.2.2 焊接残余应力产生的原因  11-12
    1.2.3 影响焊接残余应力产生的主要因素  12-14
    1.2.4 焊接残余应力对焊接结构的影响  14-15
    1.2.5 焊接温度场与应力场的研究历史与发展  15-18
  1.3 本文所研究的主要内容和意义  18-20
第2章焊接过程的有限元分析理论  20-43
  2.1 焊接过程有限元分析的特点  20-22
  2.2 焊接热源的选择  22-25
  2.3 焊接传热的基本定律  25-26
  2.4 焊接温度场的分析理论  26-36
    2.4.1 固体热传导的基本形式  26-28
    2.4.2 非线性瞬态温度场热传导的有限元分析  28-30
    2.4.3 焊接热源模型  30-36
  2.5 焊接残余应力的分析理论  36-43
    2.5.1 热弹塑性分析的特点和假定  36-37
    2.5.2 塑性理论  37-39
    2.5.3 热弹塑性有限元理论分析  39-43
第3章基于Ansys的焊接数值模拟计算  43-49
  3.1 基于Ansys的热分析概述  43-44
  3.2 焊接温度场的模拟计算  44-47
    3.2.1 前处理  44-45
    3.2.2 载荷施加和求解  45-46
    3.2.3 后处理  46-47
  3.3 焊接应力场的模拟计算  47-49
    3.3.1 焊接应力场的计算方法  47
    3.3.2 定义边界条件和施加载荷  47-48
    3.3.3 后处理  48-49
第4章角焊缝焊接温度场和残余应力分析实例  49-67
  4.1 研究对象  49-50
  4.2 焊接温度场的计算  50-59
    4.2.1 有限元模型的建立  50-52
    4.2.2 加载计算  52-54
    4.2.3 计算结果及分析  54-59
  4.3 焊接残余应力的计算  59-67
第5章残余应力数值计算值和试验测量结果的比较  67-80
  5.1 试验测量方法  67-69
    5.1.1 X射线测试原理  67-68
    5.1.2 测试主要参数  68
    5.1.3 试验测量过程  68
    5.1.4 焊接板表面残余应力的测量位置  68-69
  5.2 试验测量结果  69-75
  5.3 数值计算结果与试验测量结果的比较分析  75-80
第6章结论  80-81
参考文献  81-84
致谢  84-85
攻读硕士学位期间公开发表的论文和参加的科研项目  85

焊接结构的残余应力研究

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