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钛合金筒件真空电子束焊接变形数值模拟及控制

作　者: 黄雷雷
导　师: 何景山
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 钛合金 电子束焊接 焊接变形 反变形 数值模拟
分类号: TG456.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


钛合金筒状结构在航空航天工业中应用广泛。为了预测钛合金筒件真空电子束焊接变形及优化控制变形工艺,本文对TC4钛合金筒件真空电子束焊接变形进行了数值模拟。建立了描述弹性反变形工艺的有限元边界条件,提出了基于熔合线形貌拟合的方法确定热源类型及参数;针对筒件焊接变形模拟结果,提出了同时施加反变形及刚性固定的控制变形工艺;将控制变形工艺转化为边界条件进行数值模拟,优化了反变形量等工艺参数,优化参数后模拟结果与实验结果基本一致。通过平板对接实验获得熔合线形貌,调节模拟热源类型及参数,使温度为熔点的等温线与熔合线重合,以此确定热源类型及参数;为了简化边界条件,将Stefan-Botzmann公式转化为牛顿冷却公式的形式,利用对流计算替代辐射计算,模拟结果显示二者是一致的;根据筒件Y,Z方向焊接变形模拟结果,分别建立了预置弹性反变形的线载荷边界条件及刚性固定边界条件,调整线载荷大小,获得不同弹性反变形量下筒件变形数值模拟结果,同时设计与边界条件匹配的夹具进行实验。利用拟合热源进行平板角变形数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致;优化参数后,筒件变形模拟结果与筒件装夹条件下实验结果基本一致。控制变形条件下模拟结果表明,在焊缝上预置弹性反变形的大小与焊接变形相当,控制变形效果最好,而在焊缝以外区域,预置弹性变形要大于焊接变形;残余应力分析结果表明,筒件残余应力分布主要集中在焊缝处,最大残余应力出现在横向焊缝上,弹性预变形在焊缝上引起的应力很小,而且对焊后残余应力分布影响不大;无变形控制条件下,对不同焊接工艺的模拟结果表明,筒件焊接变形对焊接顺序及两道焊缝中间冷却不敏感,而对焊接速度非常敏感。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 课题背景及意义  9
  1.2 钛合金真空电子束焊接国内外研究现状  9-11
  1.3 真空电子束焊接数值模拟研究现状  11-15
    1.3.1 真空电子束焊接热源模型  11-13
    1.3.2 焊接温度场及应力的数值模拟  13
    1.3.3 焊接变形的数值模拟  13-15
    1.3.4 焊接反变形的数值模拟  15
  1.4 本课题主要研究内容  15-17
第2章 热源的有限元模型  17-32
  2.1 热源类型及参数  17-25
    2.1.1 深穿焊热源的数学模型  17-18
    2.1.2 深穿焊热源参数的确定  18-23
    2.1.3 盖面焊热源参数的确定  23-25
  2.2 验证实验方法  25-27
    2.2.1 试验材料  25
    2.2.2 试验设备及工艺  25-26
    2.2.3 试验过程  26-27
  2.3 平板角变形模拟结果的验证  27-31
    2.3.1 深穿焊变形模拟结果的验证  27-29
    2.3.2 盖面焊变形模拟结果的验证  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 筒件有限元模拟基础  32-45
  3.1 筒件有限元模型的建立  32-33
  3.2 初始条件和边界条件  33-36
    3.2.1 初始条件  33-34
    3.2.2 力学边界条件的处理  34
    3.2.3 辐射边界条件的处理  34-36
  3.3 钛合金筒件材质的物性参数  36-37
  3.4 筒件焊接温度场数值模拟  37-40
    3.4.1 深穿焊温度场分析  37-39
    3.4.2 盖面焊温度场分析  39-40
  3.5 筒件焊接变形数值模拟  40-43
    3.5.1 筒件自由状态焊接变形数值模拟  40-42
    3.5.2 反变形控制方案数值模拟  42-43
    3.5.3 刚性固定方案数值模拟  43
  3.6 筒件焊接残余应力的数值模拟  43-44
  3.7 本章小结  44-45
第4章 筒件有限元模拟结果分析及验证  45-57
  4.1 筒件控制变形条件下焊接变形分析  45-48
    4.1.1 预变形与残余变形关系  45
    4.1.2 预变形与焊后变形关系  45-48
  4.2 筒件控制变形工艺条件下残余应力分析  48-49
    4.2.1 施加控制变形工艺焊后残余应力  48-49
    4.2.2 预置弹性反变形引起焊缝上应力分布  49
  4.3 筒件模拟结果的验证  49-53
    4.3.1 筒件温度场的验证  49-50
    4.3.2 反变形夹具设计  50-51
    4.3.3 筒件反变形工艺模拟结果验证  51-53
  4.4 影响筒件变形的几个因素  53-56
    4.4.1 中间冷却的影响  53-54
    4.4.2 焊接顺序的影响  54
    4.4.3 焊接速度的影响  54-56
  4.5 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-63
致谢  63

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 特种焊接 > 真空电子束焊
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