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《武汉理工大学》 2007年
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磨机筒体对接接头焊接热过程有限元分析研究

范涛  
【摘要】: 随着现代科学技术的发展,数学模型和数值模拟技术的地位显得越来越重要。焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种材料和材料的最佳设计、最佳工艺和焊接参数。而通过数值模拟可以大大地节约人力、物力和时间,尤其是复杂的大型结构。随着有限元法和计算机技术的发展,越来越多的焊接工作者用数值模拟技术研究焊接问题,并取得了不少成果。 通过对焊接过程温度场、应力场的实时动态模拟,可以了解焊接过程中任一位置的应力分布,有助于了解焊接过程中应力的成因,该方法的应用对焊接结构的残余应力分布预测也有一定意义。对滑履磨机筒体这种超大型的焊接件,如何应用数值技术来模拟焊接过程,直接分析因成本太高而不太现实,需要通过与实际结构有确定关系且制造方便的物理模型进行验证。 本文在总结前人工作的基础上系统地论述了焊接过程的非线性有限元分析理论,并采用大型通用有限元分析(FEA)软件ANSYS对某滑履磨机筒体对接接头试验模型的温度场、应力场进行了有限元分析,获得了接头应力分布的大小和分布规律,并将分析结果同现场测试结果进行了比较,获得了较好的吻合性,最后对筒体对接接头的最后一道盖面层焊的温度场和应力场进行了分析。因此,本文研究工作只是应用性的研究成果,主要研究内容如下: (1)通过对目前国内外焊接热过程的数值分析技术发展水平现状的研究,确定了一套对X型坡口对接焊进行数值分析研究的方法和经验,搭建了一个研究平台:首先,积累了大量有限元网格划分、热源模型选用、数值求解策略等方面的经验和技能;其次,对ANSYS非线性有限元分析的基本理论有了较为充分的了解和掌握,从而为实现焊接热过程的有限元分析奠定了一定的理论基础。 (2)本文在综合归纳各种焊接热源模型的基础上,拟综合采用生死单元法和高斯热源模型对试验模型多道焊进行有限元分析。通过控制单元的生死,模拟焊缝金属的填充、熔化和凝固,同时采用分段移动高斯热源模型,实现了焊接热源的移动,从而比较快而准确地模拟焊接热源的移动过程。 (3)根据所选热源模型并应用ANSYS软件对试验模型进行温度场三维有限元分析,并将有限元计算结果与理论计算值进行比较,取得了良好的吻合性。同时在分析中,各所选取的采样点的的温度——时间曲线呈稳态分布,从而证明了有限元分析结果的可靠性和合理性。 (4)在获取瞬态温度场的基础上,采用热—结构间接耦合法对焊接热应力场进行了有限元分析和研究,获得了X型坡口焊接接头残余应力分布规律和大小。 (5)应用盲孔法对平板焊接试验模型上下表面焊缝及其近缝区的焊接残余应力进行了现场测试,测点的应力大小和规律跟有限元计算值取得了较好的一致。 (6)分析筒体对接接头的最后一道盖面层焊的温度场和应力场,建立了平板焊接模型焊缝残余应力与管道环焊缝残余应力之间的联系,其残余应力的形成机理等同。因而对直径较大的厚壁圆筒对接焊进行模拟分析时,采用平板试验模型即可定量研究大型结构的焊接应力和变形规律。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG402

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