铝合金薄板焊接变形的高精度预测方法研究

发布时间：2017-10-04 11:25

  本文关键词：铝合金薄板焊接变形的高精度预测方法研究

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【摘要】：轻量化的需求使得铝合金焊接结构件得到了广泛的应用,但由于铝合金热膨胀系数大、热传导率高、弹性模量小以及高温屈服强度低的特点,使得铝合金结构件的焊接变形通常较大,特别是铝合金薄板结构件的焊接变形更大,且产生焊接变形的同时往往还伴随有残余应力的存在,这大大降低了铝合金焊接结构的装配精度以及服役寿命。因此弄清焊接残余应力和焊接变形的成型机理,进而精确预测并通过一定措施减小残余应力和焊接变形具有重要意义。近年来,随着计算机硬件技术的不断升级换代以及与焊接相关有限元理论的日臻完善使得数值模拟技术在焊接变形及残余应力预测等方面得到了广泛的应用。但是,目前焊接数值模拟也存在计算效率低、计算精度不高的问题,尤其是计算精度不高的问题导致数值模拟计算得到的结果直接用于指导实际焊接结构的生产还存在极大的问题,这严重制约了焊接数值模拟技术在工程上更广泛的应用。因此,提高焊接数值模拟的计算效率和计算精度是目前亟待解决的关键问题。焊接过程所包含的复杂热力学行为是一个强非线性问题,刚度矩阵方程奇异性大,加上三维模型的使用,使得整个计算量非常庞大且收敛困难计算效率低,针对这一问题,本文从收敛准则的角度,定量分析了铝合金薄板焊接变形预测时,收敛准则对于焊接热-弹-塑性有限元计算精度及计算时间的影响。结果表明:收敛准则的改变对于变形计算精度和计算时间都会产生影响,在进行仿真计算时,可以通过适当放松收敛准则的方法节省计算的时间,保证计算精度的同时有效地提高计算效率。在以上研究的基础上,针对计算精度不高的问题,本文对铝合金焊接接头焊后普遍存在的软化问题进行了研究,提出一种新型材料模型来模拟铝合金薄板焊缝及热影响区的软化现象,并开发了综合考虑几何非线性和材料非线性的有限元数值计算方法来模拟铝合金薄板的残余应力和焊接变形。同时采用实验方法测量了铝合金薄板的焊接变形,通过比较实验结果和数值模拟结果,发现考虑软化后模拟变形结果更加接近实验结果,验证了考虑软化现象的材料模型的有效性。结果表明:接头软化现象对铝合金焊接接头的残余应力分布产生较大影响,其中对纵向应力的影响比对横向应力的影响更大,尤其是在焊缝及热影响区考虑接头软化和不考虑接头软化,得到的纵向残余应力和横向残余应力分布差异较大;软化模型的使用使得铝合金薄板在焊后产生的纵向收缩、横向收缩以及角变形均有所减小,但从总体变化量来说,接头软化对焊接变形的影响不大。
【关键词】：铝合金薄板 焊接数值模拟 高精度计算 高效计算 应力变形
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG404
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 研究背景9
• 1.1.2 研究意义9-11
• 1.2 焊接数值模拟高精高效计算的研究现状11-14
• 1.2.1 焊接温度场的高精高效计算研究现状11-12
• 1.2.2 焊接应力变形场的高精高效计算的研究现状12-14
• 1.3 本文的主要研究内容14-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 焊接数值模拟的有限元分析理论17-27
• 2.1 有限元方法17
• 2.2 焊接数值分析的简化17-18
• 2.3 焊接温度场的有限元分析理论18-21
• 2.3.1 焊接传热的基本形式18-19
• 2.3.2 焊接热过程的有限元基本方程19-20
• 2.3.3 非线性瞬态热传导的有限元分析20-21
• 2.4 焊接热-弹-塑性有限元分析理论21-26
• 2.4.1 热-弹-塑性分析的特点和假定21-24
• 2.4.2 热-弹-塑性有限元分析24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 模拟过程相关定义27-33
• 3.1 材料模型27-28
• 3.2 热源模型28-30
• 3.3 初值条件和热边界条件30-31
• 3.4 本章小结31-33
• 第四章 收敛准则对于焊接数值模拟计算的影响研究33-45
• 4.1 热-弹-塑性有限元分析算例33-36
• 4.1.1 牛顿迭代法34
• 4.1.2 网格划分和约束条件设定34-35
• 4.1.3 试验方案的设定35-36
• 4.2 计算结果及分析36-44
• 4.2.1. 温度场36-39
• 4.2.2. 变形场39-41
• 4.2.3 应力场41-43
• 4.2.4 计算时间分析43-44
• 4.3 本章小结44-45
• 第五章 铝合金薄板TIG重熔实验45-49
• 5.1 实验模型及实验条件45-46
• 5.1.1 实验模型45-46
• 5.1.2 实验条件46
• 5.2 实验结果及数据处理46-48
• 5.2.1 实验结果46-47
• 5.2.2 数据处理47-48
• 5.3 本章小结48-49
• 第六章 焊接数值模拟高精度计算研究49-63
• 6.1 焊接接头软化现象49-50
• 6.2 铝合金热-弹-塑性有限元计算50-52
• 6.2.1 软化材料模型的建立51
• 6.2.2 软化区域宽度的选择51-52
• 6.3 计算结果与分析52-61
• 6.3.1 温度场52-53
• 6.3.2 应力场53-59
• 6.3.3 变形场59-61
• 6.4 本章小结61-63
• 第七章 总结与展望63-65
• 7.1 全文总结63-64
• 7.2 前景展望64-65
• 致谢65-67
• 参考文献67-73
• 攻读学位期间取得的研究成果73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：970388