TBM机头架焊接数值模拟与接头金相组织分析

发布时间：2017-08-28 16:50

  本文关键词：TBM机头架焊接数值模拟与接头金相组织分析

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【摘要】：随着我国大量隧道工程等基础设施项目的开展,隧道掘进施工技术得到了广泛的应用,TBM(全断面岩石隧道掘进机)也得到了大力推广,我国拥有巨大的TBM掘进施工应用市场,但是掌握TBM掘进技术的企业单位少,TBM自主研发及制造水平还相对落后,对TBM重要零部件加工等核心技术的研究对TBM整机的制造至关重要。本文研究对象是TBM机头架,课题源于国家863资助项目“大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)的关键技术研究及应用(2012AA041801)”。机头架是TBM刀盘的连接支撑件,是TBM掘进过程中承受轴向推进力及刀盘反扭矩的重要结构件,机头架属于大型厚钢板焊接箱体结构,其焊接质量直接影响TBM整机性能。本文通过对机头架受力分析,对其典型T型结构焊接温度场和应力场数值模拟、焊接接头金相组织实验分析等方面进行了深入研究,旨在为TBM机头架制造工艺的制定和改进提供理论支持。具体研究内容如下:(1)根据TBM掘进原理及机头架内部的传动原理,计算机头架在TBM掘进过程中的最大载荷,并对其进行静力学有限元分析。(2)以机头架静力学有限元分析得出的应力集中部位为研究对象,建立典型T型结构的焊接有限元模型,并设定材料热力学性能参数、热源模型、焊接数值模拟工艺参数,进行焊接过程的数值模拟。(3)利用单元生死技术,对多层多道焊缝填充、焊后冷却过程的温度场分布规律进行数值分析,对焊缝、热影响区、母材上关键点的热循环曲线进行讨论,结合实际焊接的热特性,分析其焊接温度场数值模拟的准确性与合理性。(4)以温度场结果为基础,通过间接耦合法对焊接应力场进行数值模拟,分析其焊缝填充过程、焊后冷却过程中的瞬态应力场分布,讨论焊后残余应力沿不同路径的分布规律,并对比分析不同焊接工艺下的残余应力水平。(5)对T型焊接接头进行金相实验,结合焊接温度场数值分析结果,观察分析焊接工艺下焊缝、热影响区、母材的金相组织特性,讨论焊接接头质量,为焊接工艺提供指导。
【关键词】：TBM机头架 T接头 焊接数值模拟 温度场 残余应力 金相组织
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.3;TG44
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 国内外TBM发展研究现状11-15
• 1.2.1 TBM简介11-13
• 1.2.2 国外TBM发展研究现状13-14
• 1.2.3 国内TBM发展研究现状14-15
• 1.3 焊接数值模拟研究现状15-18
• 1.3.1 焊接温度场数值模拟研究现状16
• 1.3.2 焊接应力场数值模拟研究现状16-18
• 1.4 课题内容及安排18
• 1.5 本章小结18-19
• 2 TBM机头架受力计算及有限元分析19-26
• 2.1 主梁式TBM结构19-21
• 2.1.1 TBM结构组成19-20
• 2.1.2 TBM掘进原理20-21
• 2.2 机头架受力计算21-22
• 2.2.1 机头架传动原理分析21-22
• 2.2.2 轴向推力计算22
• 2.2.3 扭矩计算22
• 2.3 TBM机头架静力学有限元仿真22-25
• 2.3.1 有限元模型的建立23
• 2.3.2 载荷及约束23-24
• 2.3.3 仿真结果及分析24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 机头架典型结构焊接有限元模型及参数选取26-38
• 3.1 焊接数值模拟有限元理论基础26-31
• 3.1.1 焊接温度场有限元理论基础26-29
• 3.1.2 焊接应力场有限元理论基础29-31
• 3.2 焊接仿真有限元模型31-34
• 3.2.1 焊接结构有限元模型及网格划分31-32
• 3.2.2 热源模型的选择32-34
• 3.3 焊接数值模拟参数的选取34-37
• 3.3.1 材料属性设置34-35
• 3.3.2 焊接工艺参数选35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 焊接温度场数值模拟及结果分析38-47
• 4.1 焊接温度场仿真求解38-41
• 4.1.1 温度场数值模拟边界条件38-39
• 4.1.2 焊接温度场求解39-41
• 4.2 焊接温度场结果及后处理分析41-46
• 4.2.1 焊缝材料的填充41-43
• 4.2.2 焊接接头冷却过程温度场分析43-44
• 4.2.3 焊接接头关键节点热循环分析44-46
• 4.3 本章小结46-47
• 5 焊接应力场数值模拟及结果分析47-57
• 5.1 焊接应力场仿真求解47-48
• 5.1.1 施加载荷及设置边界条件47
• 5.1.2 应力场数值模拟的求解47-48
• 5.2 焊接数值模拟应力场分析48-54
• 5.2.1 焊缝填充及冷却过程应力场49-51
• 5.2.2 焊接残余应力数值分析51-54
• 5.3 不同工艺下残余应力分析54-56
• 5.4 本章小结56-57
• 6 焊接接头金相组织实验57-64
• 6.1 接头金相试样的制备57-59
• 6.1.1 实验材料及设备57
• 6.1.2 焊接金相试样的切取57-58
• 6.1.3 焊接金相试样的制备58-59
• 6.2 焊接接头金相组织观察分析59-63
• 6.2.1 母材金相组织59-60
• 6.2.2 焊缝金相组织60-61
• 6.2.3 热影响区金相组织61-63
• 6.3 本章小结63-64
• 7 结论与展望64-66
• 7.1 结论64-65
• 7.2 展望65-66
• 参考文献66-69
• 个人简历69
• 在学期间参研项目及发表学术论文69-70
• 致谢70

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本文编号：748555