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船体型材对接焊数值模拟及优化

作　者: 熊春才
导　师: 刘玉君
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 型材对接焊有限元温度场残余应力优化
分类号: U671.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

焊接涉及到不同物理场的复杂过程。同时焊接是一种必不可少的工艺,特别在船舶、汽车、航空航天中。例如,在船体建造过程中,正是这种复杂性导致结构产生焊接残余应力和变形,这种残余应力和变形降低了船体局部乃至整体结构的强度、韧性和精度等,影响了结构的质量。基于此本文选取船体建造过程中典型的焊接对接接头,该焊接接头主要由平板的对接、腹板的对接、面板的对接以及腹板和平板的角接组成。通过有限元模拟分析整个焊接过程,对焊接接头进行优化并对优化影响因素进行分析,从而得到合理的焊接焊接工艺方案。首先,本文采用有限元法计算,以ANSYS作为辅助工具,实现典型焊接接头的整个焊接过程。对焊接温度场和应力场进行分析比较,得到了在多条焊缝相互耦合下的温度场和应力场的分布规律,并了解多条焊缝焊接的整个过程。其次,在多条焊缝相互作用的前提下,对型材的工艺进行研究。多条焊缝组合成不同的焊接顺序,首先得到最大焊接残余应力,然后对该结果进行比较分析,最后得到较合理的焊接顺序优化方案。结果表明焊接工艺方案比较好的是,先焊腹板,再焊平板,然后焊面板,最后焊缓焊角焊缝。最后,对该焊接接头优化结果有影响的因素进行讨论,主要选取焊接参数——焊接速度和反应型材尺寸大小的平板和腹板的板宽比进行研究。通过研究可以得到焊接速度的变化会对焊接残余应力大小产生了影响,但是对焊接残余应力分布规律以及对焊接优化方案基本上没有影响；最大焊接残余应力随焊接速度的变化近似线性关系；在同一种焊接顺序下,板宽比的变化对最大残余应力影响不大,对焊接优化方案没有影响等。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-16
  1.1 选题背景和意义  10
  1.2 焊接数值模拟研究概述  10-14
    1.2.1 焊接温度场数值模拟进展  11-12
    1.2.2 焊接应力场数值模拟进展  12-13
    1.2.3 焊接残余应力进一步研究进展  13-14
  1.3 焊接有限元模拟研究的不足  14-15
  1.4 本文主要研究内容  15
  1.5 本章小结  15-16
2 焊接基本理论及分析过程  16-32
  2.1 有限元法  16-17
    2.1.1 有限元方法分析的主要步骤  16-17
    2.1.2 焊接有限元模型的简化  17
  2.2 焊接温度场基本理论  17-20
    2.2.1 焊接温度场的基本方程  17-18
    2.2.2 非线性瞬态热传导分析  18-20
  2.3 焊接热弹塑性基本理论  20-22
    2.3.1 弹性区的应力应变关系  20
    2.3.2 塑性区的应力应变关系  20-22
    2.3.3 平衡方程  22
  2.4 焊接温度场分析过程  22-27
    2.4.1 建立几何模型  22-23
    2.4.2 定义温度场单元类型  23
    2.4.3 定义温度场材料属性  23-24
    2.4.4 网格划分  24-26
    2.4.5 焊接热源载荷的施加  26
    2.4.6 焊接温度场求解  26-27
  2.5 焊接应力场分析过程  27-29
    2.5.1 建立几何模型  27
    2.5.2 定义应力场单元类型  27
    2.5.3 定义应力场材料属性  27-28
    2.5.4 焊接边界条件的施加  28-29
    2.5.5 焊接应力场求解  29
  2.6 焊接模拟的优化  29-31
    2.6.1 焊接优化方案的确定  29
    2.6.2 焊接优化比较方法  29-30
    2.6.3 焊接优化影响因素  30-31
  2.7 本章小结  31-32
3 焊接温度场计算结果分析  32-44
  3.1 焊接温度场的分布  32-37
  3.2 焊接各点温度随时间的变化  37-43
    3.2.1 平板各点温度随时间的变化  37-40
    3.2.2 腹板各点温度随时间的变化  40-42
    3.2.3 面板各点温度随时间的变化  42-43
  3.3 本章小结  43-44
4 焊接应力计算结果分析  44-50
  4.1 焊接应力场分布  44-46
  4.2 焊接残余应力结果分析  46-49
    4.2.1 平板上的残余应力分析  46-47
    4.2.2 腹板上的残余应力分析  47-48
    4.2.3 面板上的残余应力分析  48-49
  4.3 本章小结  49-50
5 焊接工艺优化  50-67
  5.1 焊接顺序的优化  50-53
    5.1.1 最大残余应力的比较  50-51
    5.1.2 优化结果的校核  51-53
  5.2 焊接工艺参数变化的分析  53-60
    5.2.1 焊接工艺参数对最大残余应力的影响  53-55
    5.2.2 焊接工艺参数对残余应力分布的影响  55-59
    5.2.3 焊接工艺参数与残余应力的关系  59-60
  5.3 焊接工艺参数对焊接顺序优化的影响  60-62
    5.3.1 焊接工艺参数对优化结果的影响  60-61
    5.3.2 焊接工艺参数对优化校核的影响  61-62
  5.4 板宽比对残余应力的影响  62-65
    5.4.1 板宽比对最大残余应力的影响  62-64
    5.4.2 板宽比对残余应力分布的影响  64-65
  5.5 板宽比对焊接顺序优化的影响  65-66
  5.6 本章小结  66-67
6 总结与展望  67-70
  6.1 全文总结  67-68
  6.2 研究展望  68-70
参考文献  70-72
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  72-73
致谢  73-74

船体型材对接焊数值模拟及优化

内容摘要

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