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基于SYSWELD的T型接头焊接温度场和应力应变场的数值模拟

张书权  
【摘要】:焊接是一个涉及到电弧物理、传热、力学、冶金及材料学等多学科的复杂过程。焊接时产生的电磁、传热、金属的熔化与凝固、相变、焊接应力与变形等焊接现象对焊接产品或焊接结构的质量影响很大。如果对焊接过程单凭经验积累和工艺试验来控制的话,则成本高,又费时费力。随着计算机技术和有限元计算方法的迅速发展,一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟,就能通过计算机系统来进行先期预测,对焊接质量进行控制,以获取最佳的焊接工艺方法及焊接参数,有针对性地解决实际焊接问题。 T型接头是最常见的焊接接头之一,广泛应用于车辆、船舶、海洋工程、航空航天工程等重要焊接结构,但与对接焊构件相比,其温度场、应力应变场要复杂得多,也不具有对称性。当前对T型焊接接头方面的数值模拟研究相对较少,但在实际应用中很多情况下对T型接头的焊接质量要求非常高,因此对这方面的数值模拟深入研究显得十分必要。本文采用大型有限元软件SYSWELD对T型接头焊接温度场与应力应变场进行了三维动态模拟,并采用试验验证,对焊接残余应力与残余变形进行了测量,同时对焊接残余变形进行了理论计算。本文主要研究工作如下: 1.系统论述了焊接过程的有限元分析理论,介绍了SYSWELD软件的使用方法及注意事项,并根据T型接头实际的焊接特点,对热源模型进行了二次开发与校核。 2.建立了T型接头焊接温度场与应力应变场的三维有限元分析模型。考虑了兼顾计算精度与计算速度之间的矛盾,网格划分在焊缝及附近区域较密,在远离焊缝的地方划得较粗。选取合适的时间步长,并采用生死单元技术来对焊缝金属进行填充模拟。 3.基于有限元软件SYSWELD对T型接头温度场进行三维动态模拟,得出了瞬态温度场分布图和特征点的热循环曲线,同时也得出了焊缝上任一点的温度变化与相演变的关系。与文献资料比较表明,所建立的数值模拟仿真模型可以较好的模拟焊接温度场,为研究焊接过程中的应力应变和减少焊接应力与变形提供了前提条件。 4.基于有限元软件SYSWELD对T型接头的应力应变场进行三维动态模拟,得出了等效应力分布云图和焊缝上纵向残余平均应力的分布以及垂直于焊缝的横向残余平均应力的分布,同时也得出了不同时刻焊接应变和变形云图。并对T形接头焊后的纵向和横向残余应力进行了测量,测得的纵向与横向残余应力分布规律与模拟结果基本吻合,验证了对焊接应力场的数值模拟的正确性。同时对焊接残余应变进行了试验测量与理论计算,试验结果和理论计算结果与数值模拟结果也基本吻合,验证了对焊接残余应变的数值模拟的正确性。分析对比结果表明,所建立的数值模拟仿真模型可以较好的模拟焊接应力应变场,为减少应力与变形、评定与优化焊接工艺提供了重要的参考依据。


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