起重机金属结构焊缝残余应力数值模拟分析

发布时间：2017-09-17 12:21

  本文关键词：起重机金属结构焊缝残余应力数值模拟分析

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【摘要】：焊接作为一种重要的制作技术在工业生产和国民经济建设中起着重要的作用，，通过焊接人们可以获得优异的连接质量和优秀的使用性构件，焊接结构相对于铆接和螺栓等其他联接结构，具有显著的优点。但是焊接结构也有着明显的不足，那就是存在较大的焊接应力和之后出现的焊接变形。焊接结构焊缝处的应力集中，是疲劳、脆断等破坏的起源，因此，非常有必要对焊后残余应力进行研究，掌握焊缝及周围应力的分布规律，为结构的设计提供参考。 本文借助于ANSYS有限元软件的热-结构耦合功能，考虑焊接温度场对应力应变场的单项耦合作用，针对起重机主梁箱型结构腹板与翼板焊接处的角焊缝进行实例分析，模拟计算其焊后温度场和应力场的分布规律。本文选用双椭球型热源模型，并适当选取高温时的材料物理性能参数，运用有限元软件ANSYS的APDL语言编写程序命令流，实现焊接热源的移动加载，模拟焊接过程，最终得到了焊接温度场以及焊接应力场的动态变化的仿真图，由已求出的温度值计算出应力值，方法是将作用到焊件上的热单元转化成结构单元，计算并分析出各个时间点的瞬态应力值和最后残余应力值的大小。 焊接过程是一个瞬态热变化过程，为了形象模拟出熔池金属的熔化、凝固过程，本文运用了ANSYS中生死单元技术，形象模拟焊接过程中焊接材料不断填充焊缝的过程，给出角焊缝及其周围焊接残余应力的分布趋势。生死单元技术的实质是将超过材料熔点的单元“杀死”，并且激化未超过熔点的单元。 本文针对起重机金属结构的箱型主梁翼板与腹板焊接处的角焊缝，建立三维模型，进行了有效的网格划分，设定了材料Q235在高温状态下的相关参数。借助ANSYS有限元软件的APDL语言编写整个模拟过程中的命令流，模拟双椭球形热源，得到了角焊缝模型的三维温度场，并最终实现了残余应力的动态模拟分析，得到的结果与相关研究结论基本一致，这将会为起重机金属结构强度应力分析及疲劳寿命计算提供参考。另外，本文的研究也证明了有限元软件在焊接结构分析中的运用比较方便，促进了有限元软件在数值模拟方面应用的广泛性。
【关键词】：ANSYS软件 角焊缝 生死单元法 温度场 应力场
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG404;TH21
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 图和附表清单9-11
• 1 绪论11-20
• 1.1 引言11-12
• 1.2 课题的研究背景12-13
• 1.3 焊接热过程文献综述13-17
• 1.3.1 焊接过程热循环14-15
• 1.3.2 焊接残余应力的产生：15-16
• 1.3.3 影响焊接残余应力的主要因素16
• 1.3.4 焊接后残余应力分类16-17
• 1.4 焊接温度场应力场研究历史与发展趋势17-19
• 1.5 本文研究内容及意义19-20
• 2 焊接过程有限元分析理论基础20-25
• 2.1 有限元法介绍20
• 2.2 有限单元法基本原理20-21
• 2.3 ANSYS 有限元软件21-24
• 2.3.1 前处理模块21-22
• 2.3.2 载荷施加和求解22
• 2.3.3 后处理22-23
• 2.3.4 单元生死技术23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 3 建立起重机金属结构角焊缝模型25-34
• 3.1 起重机金属结构角焊缝简介25-26
• 3.2 研究对象26-28
• 3.3 材料的特性参数28-30
• 3.4 确定单元类型30
• 3.5 网格划分30-31
• 3.6 焊接热源模型31-33
• 3.7 本章小结33-34
• 4 角焊缝焊接温度场和应力场数值模拟34-38
• 4.1 温度场有限元求解34-35
• 4.2 焊接应力场的模拟计算35-36
• 4.2.1 焊接应力场的计算方法35
• 4.2.2 边界条件和载荷的施加35-36
• 4.3 热弹塑性分析的假定36-37
• 4.3.1 屈服准则36-37
• 4.3.2 强化准则37
• 4.3.3 流动准则37
• 4.4 本章小结37-38
• 5 焊缝温度场和应力场结果分析38-61
• 5.1 焊接温度场的结果分析38-48
• 5.1.1 载荷步的确定38-39
• 5.1.2 计算温度场结果分析39-44
• 5.1.3 不同焊接速度下的温度场44-48
• 5.2 焊接残余应力场结果分析48-60
• 5.2.1 热-力耦合作用分析48-49
• 5.2.2 应力场有限元分析49-53
• 5.2.3 相关点的应力曲线分析53-60
• 5.3 本章小结60-61
• 6 结论与展望61-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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4 邵园园;曾庆良;玄冠涛;刘贤喜;任利;;基于ANSYS的钢铜异种金属焊接残余应力分析[J];矿山机械;2012年10期

5 张振先;徐耀玲;杜国君;;基于有限元的三向角焊缝残余应力分析[J];热加工工艺;2007年07期

6 月兰,田汝珉;薄壁筒焊缝残余应力研究[J];压力容器;2004年05期

本文编号：869385