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低相变点焊条的焊接残余应力数值模拟

作　者: 王怡然
导　师: 张玉凤
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 多层多道焊数值模拟残余应力低相变点焊条
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

焊接残余应力易引发裂纹,能对钢结构等产生重要影响,一直是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之一。天津大学焊接实验室研制了一种新型低相变点焊条,应用在中高碳钢钢板的焊接中,能很好的消除残余应力。对其进行焊接过程温度场及焊接应力场的数值模拟研究,能为减少、控制、调整焊接残余应力提供理论依据,具有重要的学术价值和实际应用意义。本文以平板对接问题为例,以ANSYS软件为平台,对多层多道焊接过程中的温度场和应力应变场进行了数值模拟,具体阐述如下:首先,建立了平板对接的几何模型,根据多层多道焊的实际焊接过程,建立了四层八道的几何模型,并划分了网格。同时通过实验及查找资料,获得了线膨胀系数、屈服强度等热参数值。其次,在温度场分析中,应用APDL语言,编制了循环加载命令流,将高斯移动热源模型以热流密度载荷形式施加在焊缝上,同时利用生死单元对焊缝金属填充、熔化和凝固进行了模拟。分析过程考虑了焊缝金属发生相变时体积和相变潜热的变化。在随后的应力应变场分析过程中,通过热-力场间接耦合,在热弹塑性力学基础上,将温度场结果耦合如应力应变场,计算得到了焊后残余应力场。最后,通过小孔法等物理试验,得到了焊后实际应力场分布,验证了数值模拟结果的正确性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-16
  1.1 选题背景及意义  7-8
  1.2 焊接残余应力综述  8-10
    1.2.1 焊接残余应力的概念  8
    1.2.2 焊接残余应力产生的原因  8-9
    1.2.3 焊接残余应力的测量  9
    1.2.4 焊接残余应力对断裂的影响  9-10
  1.3 改善焊接残余应力的低相变点焊条法  10-11
    1.3.1 降低焊缝及热影响区残余应力的原理  10-11
    1.3.2 低相变点焊条的优缺点  11
  1.4 焊接数值模拟在国内外发展现状  11-14
    1.4.1 焊接热过程分析发展现状  11-12
    1.4.2 焊接应力应变分析发展现状  12-14
  1.5 本文主要研究内容  14-16
第二章焊接过程的理论分析  16-31
  2.1 热传导基本概念  16-19
    2.1.1 焊接过程有限元分析的特点  16-18
    2.1.2 焊接热传递方式  18-19
  2.2 焊接温度场的理论分析  19-22
  2.3 非线性瞬态热传导的有限元分析  22-26
    2.3.1 空间域的离散  22-24
    2.3.2 时间域的离散  24-26
  2.4 热应力的计算  26-27
  2.5 焊接热源模型的选择  27-28
  2.6 相变潜热问题及解决办法  28-29
  2.7 边界散热问题及解决方法  29
  2.8 时间步长的选择  29
  2.9 本章小结  29-31
第三章 ANSYS 焊接过程模拟  31-44
  3.1 研究对象  31-35
    3.1.1 试验材料  31-34
    3.1.2 焊接工艺参数  34-35
  3.2 ANSYS 焊接过程模拟  35-43
    3.2.1 有限元模型的建立  35-37
    3.2.2 单元类型的选择  37
    3.2.3 本构关系的确定  37-40
    3.2.4 建立模型  40
    3.2.5 划分网格  40-41
    3.2.6 加载计算  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第四章模拟结果分析及与实验结果的对比  44-57
  4.1 ANSYS 数值模拟结果  44-49
    4.1.1 焊接温度场模拟结果  44-47
    4.1.2 焊接应力场模拟结果  47-49
  4.2 低相变点焊条残余应力的测试  49-55
    4.2.1 钻孔法测量残余应力  50-53
    4.2.2 试板的制备和测量点的确定  53-54
    4.2.3 试验结果  54-55
  4.3 试验结果与模拟结果的对比  55-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章结论  57-58
参考文献  58-62
发表论文和参加科研情况说明  62-63
致谢  63

低相变点焊条的焊接残余应力数值模拟

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