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大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用

蔡志鹏  
【摘要】: 利用数值模拟研究焊接残余变形及应力问题,可仔细研究各种因素对温度场、应力和应变场的作用规律,加深对焊接过程的理解,以选择合理工艺,控制残余应力和变形,从而高效、优质地进行焊接结构的生产,因而具有重要的理论研究和工程应用意义。 本文分析了焊接过程的特点及其对数值模拟的影响,指出了进行焊接全过程的有限元热弹塑性分析的必要性,但对大型实际结构而言,因计算规模和计算量大,以及收敛困难等原因而难以实现。通过对移动热源进行分段化处理,可以在保持精度的同时极大地提高计算效率,从而为这一普遍性难题的解决提出了一条有效途径。其中的关键因素是分段移动热源模型的建立。分段移动热源模型因略去描述热源逐点移动而采用的过多的时间增量步,使热弹塑性分析的计算量大为减少,同时,又由于反映出焊接热源集中和移动的特点,具有和移动热源模型相当的精度,因而实现了效率和精度的统一。本文还提出了针对不同问题,可采用分段移动热源模型结合不同的有限元网格划分方法,使计算效率得到进一步的提高。通过实验验证和在实际结构中的应用,证明该方法完全达到了利用数值分析研究实际结构焊接的要求。 焊接数值模拟具有系统、灵活的特点,但其结果需进行物理模拟验证,才可应用于实际结构的生产中。但对于大型结构,直接验证因成本太高而不现实,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。为了解决如何通过物理模拟研究大型结构焊接变形规律,以及大型实际结构数值模拟结果如何进行验证的难题,本文利用相似理论推导出相似准则,确定了物理模型和实际结构焊接变形的对应关系。其中基于温度场的相似准则虽普遍适用,但因难以通过普通工艺得以满足而限制了其实用性,在此基础上又针对大型薄壁件提出了基于弹性应变能的相似方法。该相似方法通过薄壁件条件简化了弹性应变能和变形间的关系,通过“虚拟模型件”将模型和实际构件的变形联系起来,使通过模型研究实际构件的焊接残余变形成为可行,从而为大型结构焊接变形的数值模拟结果提供了科学、现实的验证方法。 本文通过选用高性能位移传感器和加强屏蔽措施,建立了一套焊接变形实时测量系统。实践证明,该系统为研究焊接变形规律提供了可靠准确的测量手段。 通过以上提出的分段移动热源模型、基于弹性应变能的相似方法和可靠测量系统,可以对实际工程问题进行系统、全面地研究,从而对工艺设计提出重要指导。本文结合长江三峡工程用特大型桥式起重机的实际制造,为解决精确控制起重机主梁焊接变形的难题,综合运用上述方法,研究了各关键工艺因素对主梁上拱值的影响,从而提供出整套定量化的工艺指导,成功地进行了大型结构焊接变形的精确控制,创造了重大经济和社会效益。


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