TA15钛合金构件TIG焊接过程的数值模拟

  钛合金薄板焊接结构在新型飞行器制造中得到了日益广泛的应用,这是提高产品战术和技术性能、减轻自身重量和增加承载能力的主要途径。但是钛合金焊接应力和变形问题十分突出,使其应用范围受到了一定限制。随着计算机技术的发展,有限元软件不断应用于焊接模拟领域,为各种工程问题的求解提供了强大的支持,并节省了大量的实验费用。利用有限元软件对钛合金薄板焊接过程的温度场与应力应变场进行模拟计算,并加入适当的实验验证,对于研究钛合金焊接应力及变形规律,优化控制工艺参数和提高焊接质量都具有非常重要的现实意义。本文在这一背景下,建立了TA15钛合金TIG平板表面堆焊、T型接头与某型飞机壁板填丝焊的三维有限元模型,对焊接过程进行模拟分析。 对于平板结构,研究了热源及其附近区域应力分布规律,热源作用的前方和焊缝热影响区受压应力作用,热源区域处于零力学状态,热源作用的后方和远离焊缝的区域受拉应力作用,在焊缝的热影响区内出现了残余应力峰值。 对于T型接头,研究了焊缝中部横截面上各节点焊接过程应力应变变化趋势,随着热源的临近,焊缝金属逐渐进入塑性变形状态,熔池内金属有负的塑性应变产生,当热源经过后塑性变形区域有所扩大,塑性应变增加。焊接结束后,焊缝区域的纵向残余应力要明显高于横向残余应力,纵向残余应力峰值达到555MPa,低于钛合金室温时的屈服极限。利用切条法测量平板结构与T型接头焊缝中部横截面上的纵向残余应力,测量结果与模拟结果相比均偏小,这与所采用的试验方法及有限元模拟过程中的模型简化有关。 基于T型接头焊接过程的模拟方法,对某型飞机TA15钛合金壁板TIG焊过程的温度场及应力应变场进行模拟,根据企业的实际焊接情况,研究了不同焊接顺序条件下焊后残余应力分布及变形特点,为优化焊接工艺提供理论指导,结果表明采用首尾焊接方法得到的焊缝纵向残余应力峰值较低,采用此种焊接顺序加工实际构件,可以为后续工艺的顺利实施提供方便。

【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 本课题研究意义9-10
• 1.2 焊接数值模拟概述10
• 1.3 国内外焊接热传导数值模拟研究现状10-12
• 1.4 国内外焊接应力与变形数值模拟研究现状12-13
• 1.5 TA15 钛合金应用13-14
• 1.6 本课题主要研究内容14-15
• 第2章 平板结构与T型接头TIG焊温度场数值模拟15-34
• 2.1 焊接温度场数值模拟基本理论15-16
• 2.2 几何模型建立16-17
• 2.2.1 平板结构几何模型建立16
• 2.2.2 T型接头几何模型建立16-17
• 2.3 有限元网格模型17-18
• 2.4 焊接热源模型处理18-21
• 2.5 初始条件与边界条件21-24
• 2.5.1 初始条件22
• 2.5.2 边界条件22-24
• 2.6 相变潜热处理24-25
• 2.7 材料参数处理25-26
• 2.8 温度场模拟结果及分析26-30
• 2.8.1 平板结构温度场数值模拟结果26-28
• 2.8.2 T型接头温度场数值模拟结果28-30
• 2.9 焊接过程热循环曲线试验验证30-33
• 2.9.1 热循环曲线测试方法30-31
• 2.9.2 模拟结果与实验测量结果比较分析31-33
• 2.10 本章小结33-34
• 第3章 平板结构与T型接头TIG焊应力应变场数值模拟34-52
• 3.1 焊接应力场数值模拟基本理论及分析方法34-37
• 3.1.1 热弹塑性分析的特点和假定34-35
• 3.1.2 热弹塑性理论35-37
• 3.1.3 耦合问题37
• 3.2 应力应变场数学模型的建立37-40
• 3.2.1 材料力学性能参数的设置38-39
• 3.2.2 初始条件与边界条件39-40
• 3.3 应力应变场模拟计算及结果分析40-48
• 3.3.1 平板结构应力应变场模拟结果40-42
• 3.3.2 T型接头应力应变场模拟结果42-48
• 3.4 焊接残余应力试验验证48-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第4章 TA15 钛合金实际构件TIG焊温度场与应力应变场模拟52-63
• 4.1 实际构件有限元模型52-53
• 4.2 实际构件温度场模拟分析53-57
• 4.3 实际构件应力应变场模拟分析57-62
• 4.4 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-68
• 攻读学位期间发表的学术论文68-70
• 致谢70

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