挖掘机中框架焊接变形与残余应力数值模拟分析

发布时间：2020-09-10 12:28

　　挖掘机在建筑工程中有着大量的应用,挖掘机中框架作为上车架的主要受力结构件,其对整机工作的可靠性、工作寿命起重要的影响。挖掘机中框架是典型的大型复杂结构件,其焊后存在比较突出的焊接变形问题。底板两端的角变形会导致在进行回转齿圈加工时切削深度严重不均,且无法完成与左右侧框架的拼装焊接;中框架后端的回转变形会导致其与下车架难以进行装配。焊接顺序的不合理还会造成局部区域残余应力过大,由此产生裂纹甚至是开裂现象,降低中框架结构的承载能力。为了提高焊接质量,本文对中框架的焊接变形与残余应力控制展开了研究,取得的成果如下:(1)提出一种分段温控高效热源,分段温控高效热源以温度为控制变量,以温度场进入准稳态时的温度值直接施加在所对应的节点上,从而使焊接模拟计算量大大减少。文中以T形接头为研究对象进行焊接数值模拟,并将其计算结果与采用双椭球热源所计算的结果作比较。研究结果表明,提出的分段温控高效热源与双椭球热源相比,计算精度相当,使用分段温控高效热源计算所需要的时间是双椭球热源计算时间的1/10左右,计算效率显著提高,这对于解决大型复杂结构件焊接数值模拟计算量大且效率低的问题具有重大的意义。(2)将分段温控高效热源应用于挖掘机中框架的焊接数值模拟中,提出使用分层逐项优化的的方法对挖掘机中框架进行焊接顺序优化。首先对第一层焊缝的焊接次序进行优化,然后在此基础上研究不同焊接方向对中框架焊接变形与残余应力的影响,从而确定最优的焊接顺序。由于第二层焊缝的位置布局与第一层相同,因此第二层焊缝使用与第一层相同的焊接顺序,组成整体最优焊接顺序方案。研究结果表明,采取焊接对称焊与跳焊相结合的焊接次序所得到的角变形量最小;采用合理的焊接次序对降低焊件焊接残余应力效果显著。方案3的焊接残余应力应力最大值为各焊接方案最小,左右两侧立板处焊接残余应力峰值相较于方案8降幅率分别为38.46%和42.13%;选择合理的焊接方向可以降低焊接结构的变形量。先焊焊缝收弧端与后焊焊缝的起弧端相距越远,角变形量降低效果越明显。(3)本文将有限元分析嵌入多目标遗传算法中,以焊接变形量最小,且焊接加工时间最短为目标,对焊接参数进行多目标优化。优化后焊接电压为32V,焊接电流为263A,焊接速度为8mm/s,焊接速度比原参数提高了60%。研究结果表明,在多目标遗传算法的优化过程中各焊接优化参数的种群分布不断向最优解靠近,种群在迭代代数达到25代时达到收敛,随后各焊接参数种群分布在收敛值附近浮动;采用优化后焊接工艺参数所得到的T形接头最大变形量较采用原焊接工艺参数所得到的最大变形量下降了35%,T形接头焊后残余变形得到明显的改善。
【学位单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG404
【部分图文】：

中框架结构

焊接变形,残余应力,主要因素,焊热

形成机理源附近金属因受热产生变形；已经发生变形的性约束同样不能自由收接材料、焊接工艺和焊热源的金属运动，最终要因素及其联系如图 1.不均匀加热是导致焊接要取决于焊接材料的特件的外部约束情况，其焊接热输入

示意图,一维稳态,示意图,焊接材料

xd图 2.1 一维稳态传热示意图据式子（2-5），对于单元在 dt 时间内的热传递表达式为( )xx xqq Adt QAdxdt U q Adtxdx + = + + ，qx为热流；Q 为热源热量产生率；U 为内能。热传导定律，水平方向 x 上的热流 qx的表达为：x xTq kx = ，kx为水平方向 x 的导热系数。的增加量的内能 U 为： U =c ρ AdxdT中，c 为焊接材料的比热容；ρ为焊接材料的密度； T = T (

【参考文献】