低碳钢箱体焊接应力应变场模拟与焊接变形控制

作     者：朱琦峰 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王敏;顾春浩

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：有限元法 段状热源模型 角焊模型 箱体焊接 计算模拟 

摘      要：焊接在现代制造业中作为一种可靠、高效且成本低的热加工工艺,在制造业中受到广泛应用。而焊接过程中产生的焊接残余应力与变形对焊接工件的使用性能和使用寿命造成不小的危害。因此,对焊接残余应力及其变形情况进行分析具有很重要的意义。在焊接模拟中,热弹塑性有限元法可良好的模拟焊接过程中以及焊接冷却阶段的温度场、应力场以及焊接工件的变形情况。然而,热弹塑性有限元法在模拟焊接过程时,计算过程复杂,所需的计算时间相当长,对工作站的要求很高,不适合很多大型结构件的计算。因此,本文将热弹塑性法进行简化,提出合适的计算模型进行温度场与应力应变场的计算,并针对研究对象箱体焊接的特点找到合适的模拟方法进行计算分析,具体工作如下:(1)对串热源进行了改进,建立了温度随时间变化的段状热源模型,将该模型运用于局部角焊模型中,并与瞬态移动热源模型进行对比,验证了该段状热源模型在不同的分段段数情况下的计算结果与瞬态移动热源模型计算结果的一致性,并对计算结果进行了实验验证。(2)将段状热源模型应用于箱体整体模型,分析了箱体模型在焊接过程及冷却时的温度场与应力场分布,及其焊接变形情况,并对其进行了实验验证,证明了该热源模型应用于箱体计算模型上的可行性。(3)分析了不同的焊接顺序下,箱体模型的温度场、应力场以及焊接变形量。对比分析了不同方案下的温度场、应力场及焊接变形量的变化规律。研究结果表明:段状热源模型可适用于低碳钢箱体焊接应力应变场模拟,能有效地表示焊接过程以及焊接后冷却过程。本研究结果可用于指导低碳钢箱体的焊接工艺参数、焊接顺序选择,有利于有效地控制箱体焊接变形。