大型环形结构焊接变形刚性控制数值模拟

发布时间：2017-10-13 17:18

  本文关键词：大型环形结构焊接变形刚性控制数值模拟

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【摘要】：因汽轮机隔板服役环境的特殊性，需要在隔板外环的指定位置堆焊不锈钢耐腐蚀层，由于堆焊量大导致隔板外环焊后焊接变形大影响装配质量。为控制隔板外环的焊接变形同时降低大型焊接结构焊接试验成本，应用数值模拟对汽轮机隔板外环的焊接变形过程进行了预测。同时针对大型结构焊接过程数值模拟模型大、数据量大、计算时间长等问题，基于相似准则分析焊接温度场确定了模拟结构与实际结构焊接应力和变形的比例对应关系，建立模拟结构模型减少了单元数量和节点数量。另外，利用串热源代替双椭球热源减少时间增量步数以及模拟过程中迭代运算次数，，在尽可能保证计算精度的同时提高运算效率。同时为保证模拟结果的准确性，设计了相似结构物理试验，验证了简化方法的精度。因此，本课题的研究对控制汽轮机隔板外环焊接变形具有一定的工程意义。 通过增加刚性固定即焊拉筋的办法控制汽轮机隔板外环焊接变形。设计了米字型拉筋和梁型拉筋两种焊拉筋结构，通过数值模拟结果对比两种拉筋形式控制焊接变形的能力，结果表明两种拉筋形式都可以减少焊接变形，米字型拉筋控制焊接变形的能力要强于梁型拉筋，当采用米字型拉筋时，筋板的变形要大于隔板外环的变形，而采用梁型拉筋，隔板外环的变形要大于筋板的变形。特别是在控制隔板外环的轴向变形和周向变形上，米字型拉筋可以更好的保证隔板的垂直度和减少隔板因受热膨胀对形状的影响。工艺方面，优化了焊接速度和夹具数量，得到了最优的焊接速度为6mm/s，最优的夹具数量是6个。利用串热源完成了全部堆焊过程的数值模拟，耗时约50小时。并通过模拟结构与实际结构的残余应力对应关系，根据模拟结果计算出实际结构残余应力峰值约为86MPa。
【关键词】：环形结构 焊接变形 刚性控制 数值模拟 相似理论
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外大型结构焊接过程研究现状11-15
• 1.2.1 大型结构焊接过程模型简化研究现状11-12
• 1.2.2 数值模拟预测焊接应力应变的研究现状12-15
• 1.2.3 焊接变形控制数值模拟15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 汽轮机隔板外环堆焊要求及工艺设计17-28
• 2.1 引言17-18
• 2.2 汽轮机隔板简介18-19
• 2.3 汽轮机隔板外环堆焊位置及焊道分布19-21
• 2.4 材料化学成分及物理性能参数21-23
• 2.4.1 隔板外环材料化学成分及物理性能参数21
• 2.4.2 焊接材料化学成分及物理性能参数21-23
• 2.5 焊接变形刚性控制方案23-26
• 2.5.1 焊接速度和夹具数量优化方案23-24
• 2.5.2 拉筋结构形式设计24-26
• 2.6 本章小结26-28
• 第3章 汽轮机隔板外环堆焊过程数值模拟28-40
• 3.1 引言28
• 3.2 焊接温度场相似理论28-29
• 3.3 焊接热源模型29-31
• 3.3.1 双椭球热源模型29-30
• 3.3.2 串热源模型30-31
• 3.4 模拟结构与实际结构残余应力比例关系31-32
• 3.5 相似结构物理试验数值模拟32-36
• 3.5.1 焊接温度场相似准则试验验证32-36
• 3.5.2 串热源与双椭球热源模拟结果对比36
• 3.6 汽轮机隔板外环有限元模型36-39
• 3.7 本章小结39-40
• 第4章 刚性控制隔板外环焊接变形及工艺优化40-52
• 4.1 引言40
• 4.2 汽轮机隔板外环焊接变形规律40-42
• 4.3 拉筋形式对隔板外环焊接变形规律的影响42-45
• 4.4 焊接工艺优化45-48
• 4.4.1 焊接速度优化46-48
• 4.4.2 夹具数量优化48
• 4.5 实际结构焊接残余应力分布48-51
• 4.6 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-56
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文56-57
• 致谢57

【参考文献】

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本文编号：1026120