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基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

谢元峰  
【摘要】:焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟,我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。 焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的过程。随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的物理性能参数也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此,焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。因为焊接温度场分布十分不均匀,在焊接过程中和焊后将产生相当大的焊接应力和变形。焊接应力和变形的计算中既有大应变、大变形等几何非线性问题又有弹塑性变形等材料非线性问题。焊接温度场与应力场是双向藕合的,由于应力应变场对温度场的影响比较小,加上计算条件的限制,前人更多地只考虑温度场对应力场的影响这一单向藕合。本文在考虑焊接温度场与应力场是双向藕合的情形下进行了尝试。在总结前人经验的基础上,通过平板堆焊实例利用直接法同时计算焊接温度场和应力场,模拟出了焊接过程。 本文研究的主要内容包括:在计算过程中材料性能随温度变化而变化,属于材料非线性问题:选用高斯函数分布的热源模型,利用函数功能实现热源的移动。建立了焊接瞬态温度分布数学模型,解决了焊接热源移动的数学模拟问题;讨论了热源移动速度、焊弧有效半径等参数对结果的影响。对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟,利用本文模拟分析方法,可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。 通过研究和算例验证,本文建立了可行的三维焊接温度场、应力的动态模拟分析方法,为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、应力的分析提供了理论依据和指导,促进了有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中的应用。


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