基于ABAQUS平台对铝合金焊接变形和应力的数值模拟及研究

发布时间：2017-05-01 01:11

  本文关键词：基于ABAQUS平台对铝合金焊接变形和应力的数值模拟及研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：焊接作为先进的制造技术,是当今复杂结构制造过程的重要连接方法,在材料加工领域中占有十分重要的地位。由于焊接受热过程的高度局部性和瞬时性,将不可避免的产生焊接应力及焊后变形,严重影响到焊接结构的质量和构件的使用性能,因此如何准确推断焊接结构的力学行为,获取焊接残余应力和焊接变形的研究一直是焊接力学中尤为重要的课题之一。近年来,随着焊接预测理论的日趋成熟和计算机技术的快速进步,数值模拟作为预测焊接变形的有效方法被广泛研究和推广。其中以热 弹 塑性有限元法的应用最为常见,该方法考虑了材料物理、力学性能特性和焊接工艺参数对焊接导热过程的影响,追踪了焊接构件的动态应力应变演变过程,详细掌握了焊接应力和变形的产生及变化趋势,理论上可处理任意复杂构件的焊接应力及变形问题。同时,焊接是一个涵盖热学、力学、金相学的复杂问题,对于焊接过程的数值模拟:不仅仅需要建立科学妥当的力学模型、材料模型、热源模型,更需要解决构件高度复杂的非线性收敛问题。而目前的焊接数值模拟技术,特别是针对焊接变形及残余应力的数值模拟还存在计算时间长、解析精度不够的问题。研究表明:有限元解析精度和数值计算效率是焊接数值模拟分析的关键,高效、高精度的数值模拟一直是焊接仿真分析的难点,如何根据不同的研究背景和求解需求,为模型选择最为合理的研究方案,用尽量短的计算时间得到尽量精确的解析结果是有限元分析过程中一个复杂而至关重要的问题,同时也是数值模拟技术应用到实践生产的重要基础。目前,热 弹 塑性间接耦合法应用最为广泛,但该方法仅考虑了温度场对于应力场的单向耦合作用,忽略了应力场对温度场的反向影响,一定程度上影响了数值模拟的计算精度。而热 弹 塑性直接耦合法充分考虑了焊接应力 应变场和焊接温度场之间相互耦合作用,真实的还原了焊接物理过程耦合作用的实质。研究发现:目前对于热 弹 塑性直接耦合法的焊接数值模拟研究较少,且主要集中在碳钢材料方面,针对变形倾向更大的铝合金薄板的研究还鲜有报道。因此,鉴于上述研究背景及现状,本文以热 弹 塑性有限元分析为基础,依托ABAQUS软件平台,开发了充分考虑材非线性和几何非线性的有限元模型,以5052铝合金作为研究对象,建立不同线性单元三维模型,研究不同线性单元对接残余应力和焊后变形数值模拟的影响,考察各线性单元对焊接数值模拟计算精度以及计算效率的贡献。通过数值模拟分析,得到基于不同线性单元类型条件下的应力分布和焊接变形,经对比分析总结出各线性单元对焊接数值模拟计算精度和计算效率的影响。在此研究基础上,开展热力耦合的高精度数值研究,建立热力双向耦合模型,考察5052铝合金薄板焊接过程中应力 应变场和焊接温度场之间的双向耦合效应,实现基于热 弹 塑性直接耦合法的5052铝合金薄板焊接温度、焊接变形及残余应力的预测,并与热 弹 塑性间接耦合法计算结果进行比较和分析。通过上述研究,对实现高效、高精度数值模拟的可行性途径进行探讨。
【关键词】：铝合金 数值模拟 高效计算 高精度计算 线性单元 热力耦合
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题依据10-11
• 1.1.1 选题背景10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 焊接预测方法研究进展11-13
• 1.2.1 经验法11
• 1.2.2 解析法11-12
• 1.2.3 数值模拟法12-13
• 1.3 焊接过程数值模拟研究进展13-17
• 1.3.1 焊接热过程模拟研究进展13-16
• 1.3.2 焊接热力数值模拟研究进展16-17
• 1.4 焊接数值模拟难点及关键技术17-18
• 1.4.1 焊接热源模型18
• 1.4.2 焊接过程高度非线性变化18
• 1.4.3 材料高温热物理性能参数缺乏18
• 1.4.4 数值解析工作量庞大18
• 1.5 本文研究内容18-20
• 第二章 热-弹-塑性有限元理论基础20-30
• 2.1 热-弹-塑性有限元法20
• 2.2 焊接热传导的有限元理论基础20-26
• 2.2.1 焊接传热过程的基本形式20-21
• 2.2.2 焊接导热微分方程21-23
• 2.2.3 焊接非线性热传导的有限元分析23-24
• 2.2.4 非线性热传导求解方法24-26
• 2.3 焊接热 弹 塑性有限元理论基础26-30
• 2.3.1 焊接热 弹 塑性理论解析假定26
• 2.3.2 屈服准则26
• 2.3.3 流动准则26
• 2.3.4 强化准则26-27
• 2.3.5 应力 应变关系27-28
• 2.3.6 平衡方程28
• 2.3.7 热-弹-塑性求解过程28-30
• 第三章 焊接数值过程有限元模型的建立30-34
• 3.1 有限元模型及焊接工艺30-31
• 3.2 热源模型31-32
• 3.3 焊接过程单值性条件32-34
• 第四章 线性单元对焊接残余应力及变形数值模拟影响的研究34-44
• 4.1 研究对象34
• 4.2 ABAQUS单元库34-35
• 4.3 网格划分及力学边界条件35-36
• 4.4 焊接应力场数值模拟36
• 4.5 焊接应力数值结果及分析36-43
• 4.5.1 焊接应力场36-39
• 4.5.2 焊接变形39-42
• 4.5.3 计算时间42-43
• 4.6 本章小结43-44
• 第五章 基于直接耦合法的高精度数值模拟研究44-60
• 5.1 热 弹 塑性直接耦合法44-45
• 5.2 有限元模型的简化45-46
• 5.3 热 弹 塑性直接耦合法有限元基础46-48
• 5.3.1 热力耦合算法46-47
• 5.3.2 直接耦合法有限元分析基础47-48
• 5.4 有限元模型及单元选择48-49
• 5.5 数值模拟计算结果及讨论49-59
• 5.5.1 焊接温度场49-54
• 5.5.2 焊接应力场54-57
• 5.5.3 焊接变形57-59
• 5.6 本章小结59-60
• 第六章 结论与展望60-62
• 6.1 全文总结60-61
• 6.2 研究展望61-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-70
• 攻读学位期间取得的研究成果70

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