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膜式水冷壁对称单元多焊道GMAW群焊规范与变形分析

作　者: 杨文岗
导　师: 张宪；赵章风
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 对称单元多焊道群焊温度场应力场变形计算模型
分类号: TK226.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 21次
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内容摘要

膜式水冷壁管屏对称单元是锅炉炉墙的重要结构件,由光管和鳍片(扁钢)焊接而成。其焊后变形降低了膜式壁的强度和刚度,影响下面的焊接和装配,必需大量的时间进行矫正和铲割。因此,研究减小和控制膜式水冷壁焊接变形的方法,对于实际生产具有重要的意义。本文结合实际生产过程中的GMAW焊接规范,利用ANSYS的热弹塑性有限元法对管屏对称单元进行了热弹塑性分析。采用双椭球热源模型和生死单元技术相结合的移动热源,解决了大型结构热弹塑性分析时焊缝熔池和填充的模拟不能兼顾、计算量大以及收敛困难等重大难题。本文分别从温度场、应力场以及变形三个方面分析其焊接过程,并研究了多焊道群焊规范与变形的关系,得到如下结论:(1)对称单元温度场的分布是对称的;冷却时两侧的散热率高于中心区域。(2)对称单元的等效残余应力随到起弧端面距离的增大而增大,但随着线能量增加而降低。(3)平焊焊道中单一焊道的输入线能量不一致,对单元的总变形Δ影响不敏感,但线能量的整体变化,对单元总变形Δ影响较大,并随着输入线能量的增加而增加,反之亦然;在平焊焊道输入线能量一定的前提下,存在可使单元总变形Δ下降的仰焊焊道输入线能量的贡献区,在此区域内,仰焊焊道合理的线能量输入,将促进单元总变形Δ的减小。基于以上研究,本文以变形量最小为目标,提出了控制单元焊接变形的方法和输入线能量的计算模型,并进行了试验验证,为膜式水冷壁焊接过程中科学的确定各焊道的线能量提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-22
  1.1 课题背景和研究意义  10-12
  1.2 焊接变形预测的研究方法  12-14
  1.3 数值模拟在焊接领域的研究动态与进展  14-18
    1.3.1 焊接温度场的研究进展  15-16
    1.3.2 焊接应力场与变形的研究进展  16-17
    1.3.3 膜式水冷壁焊接数值模拟的研究进展  17-18
  1.4 研究方法和研究内容  18-22
    1.4.1 研究方法  18-19
    1.4.2 研究内容  19-22
第2章焊接热力理论和热弹塑性有限元理论  22-40
  2.1 焊接热变形与热应力  22-26
  2.2 GMAW 变形机理  26-28
  2.3 热弹塑性有限元法  28-33
    2.3.1 热弹塑性分析的基本理论  30-32
    2.3.2 求解方程  32-33
    2.3.3 提高计算精度和稳定性的若干途径  33
  2.4 焊接热源基本模型  33-37
  2.5 本章小结  37-40
第3章对称单元GMAW 多焊道焊接的温度场分析  40-52
  3.1 焊接规范  40-41
  3.2 对称单元有限元模型的构建  41-44
    3.2.1 几何模型的构建  41-42
    3.2.2 定义材料属性  42-43
    3.2.3 划分网格  43
    3.2.4 移动热源的加载和处理  43-44
  3.3 对称单元的GMAW 多焊道焊接温度场求解  44-45
  3.4 对称单元的GMAW 多焊道焊接温度场分析  45-51
    3.4.1 对称单元的GMAW 多焊道温度场的动态分析  46-47
    3.4.2 对称单元焊接热循环曲线  47-50
    3.4.3 对称单元焊接完成后的等温线分布  50-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章对称单元GMAW 多焊道焊接的应力场及变形分析  52-64
  4.1 ANSYS 中的热-力耦合分析  52
  4.2 对称单元的GMAW 多焊道焊接应力场和应变场求解  52-53
  4.3 管屏单元的GMAW 多焊道焊接应力场分析  53-59
    4.3.1 对称单元扁钢的残余应力分布  55-57
    4.3.2 对称单元钢管的残余应力分布  57-59
  4.4 对称单元的GMAW 多焊道焊接变形分析  59-63
    4.4.1 对称单元的管宽方向的变形  61
    4.4.2 对称单元的长度方向的变形  61-62
    4.4.3 对称单元的角变形  62-63
  4.5 本章小结  63-64
第5章对称单元GMAW 多焊道群焊规范与变形关系研究  64-84
  5.1 对称单元的焊道分组  65-68
  5.2 输入线能量与等效残余应力的关系  68
  5.3 输入线能量与总变形Δ的关系  68-71
  5.4 对称单元焊接规范计算模型  71-72
  5.5 对称单元焊接规范计算模型的实验验证  72-82
    5.5.1 实验测量方法  73-75
    5.5.2 实验测试结果与分析  75-82
  5.6 本章小结  82-84
第6章总结与展望  84-86
  6.1 总结  84-85
  6.2 展望  85-86
参考文献  86-90
致谢  90-92
攻读硕士期间发表的学术论文目录  92

膜式水冷壁对称单元多焊道GMAW群焊规范与变形分析

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