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箱型结构焊接变形预测、控制及应用

崔晓芳  
【摘要】:箱型焊接结构梁广泛应用于各种工程结构领域。像其它焊接结构一样,在焊接过程中由于急剧地非平衡加热及冷却,箱型结构梁构件将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。而焊后变形矫正,既不经济又严重伤害其工作可靠性,因此,科学地、定量地预测焊接变形规律,并在此基础上给予最优控制,这不仅对箱型焊接构件自身,而且对其它焊接构件的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定具有重要的理论价值与工程意义。 在对国内外关于焊接变形研究现状综述的基础上,采用由浅入深的研究策略,以由箱型梁结构构成的高速电力机车转向架构架及组件为应用对象,分别从解析理论上、数值模拟上、实测验证上、优化焊接顺序实现上,进行了一系列深入研究,归纳起来,本文的研究工作及研究成果主要有: 首先,在详细地分析了经典的焊缝收缩力计算法之后,将其理解为有限元模型中的一种加载模式,从而将焊缝收缩力法与有限元法有机结合,形成了一个从整体上快速估算焊接变形的简便方法。基于这种方法,以SS_(7E)型电力机车转向架构架箱型变截面侧梁为应用对象,创建了有限元求解模型。为验证这种方法的适用性,用实测手段获得了焊后变形实测数据,并将其与这一方法的计算结果进行比较,发现二者变形规律吻合得很好。接着,将上述研究成果推广用于结构更为复杂,焊缝更多,结构可靠性要求更高的高速动力车转向架构架上。在这一阶段上,分别研究了由箱型梁构成的构架及各合件,最后,获得了构架总体焊后变形规律及影响焊接变形量的主要工艺因素。 由于基于焊缝收缩力的有限元法不能解决每条焊缝的独立影响问题,又以热弹塑性理论为基础,提出了另一个新的技术路线,即基于热—机耦合算法创建热弹塑性仿真模型。这既是当今该领域的一个热点,也是一个研究难点。为了避免计算仿真模型过于庞大、计算效率低下等问题,在创建该类数值仿真模型中,抓其主要矛盾,采用了一系列新的对策,例如:单元死活对策、网格自适应对策、分段热源对策、并行计算对策等,从而使数值仿真领域中最复杂的焊接过程仿真得以实践于真正的工程问题。 为将本文研究工程适用化,针对建模难点,提出了一系列建模对策,将力学边界条件,热边界条件,初始边界条件,几何边界及材料特性等予以规范。在模型规范之后,仍以高速动力车构架箱型侧梁为应用对象,分别进行了焊接顺序、焊接热输入量、拘束条件以及内部结构的研究,获得了焊接顺序、热输入量、拘束条件以及内部结构等对焊接变形的影响规律,为箱型类结构焊接变形控制提供了极其重要的数值依据。 上述工作,尤其是基于热弹塑性的仿真模型的提出及技术实现,为焊接顺序优化创造了实现的必要条件。考虑到焊接顺序优化的特殊性,难以创建基于敏度分析或求导数的优化模型,因此,本文采用了不求导数的遗传算法。提出将热—机耦合非线性数值仿真技术嵌入到遗传算法中,考虑焊接全过程的焊接顺序优化问题终于得到了明显地进展。一个具有代表性的箱型梁焊接顺序优化证明了这一技术路线具有重要的工程应用前景。


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