文档介绍：摘要上海交通大学博士学位论文
固有应变法预测焊接变形的研究及其工程应用
摘要
焊接变形直接影响了焊接产品的制造质量和服役使用如何预测
和控制焊接变形仍然是工程中迫切需要进一步解决的重要研究课题
预测大型复杂结构的焊接变形必须解决两个问题其一是要保证足够
的预测精度其二是要节约运算时间和成本焊接热弹塑性有限元法
在焊接数值模拟中得到广泛应用但它需要的计算时间长计算规模
大因而在用于预测大型复杂结构焊接变形时还相当有限
固有应变法预测焊接变形是利用焊接以后在焊缝及其附近所产
生的固有应变残余的热应变塑性应变和相变应变总和作为初
始应变进行一次弹性有限元计算来获得整个结构的焊接变形它可
以大大缩短运算时间和成本并且保持一定的精度对于较复杂的结
构影响焊接变形的主要因素仍然是纵向固有应变总和 Wx 和横向固
有应变总和 Wy 以及它们所在的位置 Wx 和 Wy 与焊接线能量 Q 存
在一定的关系可以假定为 Wx=KQ 和 Wy=îQ K 称为纵向固有应变
系数î 称为横向固有应变系数目前固有应变预测焊接变形的方
法对影响焊接固有应变的因素及其定量规律研究还不够充分对一些
材料缺乏固有应变数据确定固有应变时最重要的问题是如何确定
纵向固有应变系数 K 和横向固有应变系数î 这也是本文的研究重点
针对低碳钢首先采用三维热弹塑性有限元法和平板堆焊模型研
究了焊件长度和宽度对固有应变的影响给出了固有应变的分布特
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固有应变法预测焊接变形的研究及其工程应用
征在实际施加固有应变时可对焊缝起始端和结束端区域的固有应
变做相应的修正热输入是影响固有应变的最重要的因素确定了纵
向固有应变系数 K 和横向固有应变系数î 与热输入参数 Q/h2 的定量
关系 K 和î 随着 Q/h2 的增加而增加并趋于稳定之后随着 Q/h2 的
增加而逐渐降低散热条件对于焊接温度场有重要影响从而影响到
固有应变大小研究了不同板厚下换热系数和初始温度与固有应变
的定量关系结果表明换热系数对于纵向固有应变的影响要明显大
于对横向固有应变的影响同时换热系数对薄板的影响要明显大于对
厚板的影响给出了 T 型接头的纵向固有应变系数 K 与焊脚长 Kf 的
定量关系采用热弹塑性法固有应变法和实验研究了 T 型接头焊接
变形验证了焊接变形预测的有效性
铝合金焊接过程应力应变特点与钢有明显差别在平板 TIG 堆焊
实验基础上研究了焊接规范对热源有效系数和有效半径的影响分析
了焊接过程中组织与性能变化对焊缝区和热影响区软化的影响建立
了铝合金焊接软化模型计算了不同软化宽度的影响并与试验结果
对比证明了考虑软化时的模拟结果与实际更为接近在此基础上
采用三维热弹塑性有限元法进行了 6061 铝合金焊接固有应变定量关
系的研究确定了纵向固有应变系数 K 和横向固有应变系数î 与热输
入参数 Q/h2 的定量关系铝合金的热传导率和热膨胀系数都比钢大
得多焊后的固有应变的区域和大小也较大因此铝合金的纵向固有
应变系数 K 和横向固有应变系数î 也要比钢大得多即焊接变形要大
得多定量地给出了 6061 铝合金在不同换热系数下的固有应变研
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摘要上海交通大学博士学位论文
究表明散热条件对铝合金的影响比对低碳钢的影响更加明显此外
铝合金的固有应变系数变化范围也比钢大采用固有应变法得到的焊
接变形结果与实测及热弹塑性法计算结果相近从而表明固有应变
法同样可用于铝合金焊接变形的分析
本文针对大型复杂结构的焊接变形预测以固有应变法为主要手
段将以上固有应变法的研究成果应用于整体结构的焊接变形分析
得到整体的变形量根据工艺说明对不同焊缝的组合引起的焊接变
形的变化进行了分析为选择合理的焊接顺序提供了依据同时为
了得到更好的效果以热弹塑性法为辅助手段研究重要焊缝对焊接
变形的影响以挖掘机下车架总成焊接变形分析为例计算了不同焊
缝的组合和工艺条件下的焊接变形预测的变形结果与测量结果相吻
合计算时间的对比也说明对于大型复杂结构的焊接变形预测固
有应变法远比热弹塑性有限元法实用采用板单元固有应变法对铝合
金副车架总成的焊接变形规律进行了综合研究结果表明铝合金副
车架焊接残余变形远大于低碳钢副车架的焊接残余变形需要在生产
过程中采取相应的措施反变形夹具和焊接顺序等加以控制以
上实例说明固有应变法预测大型复杂焊接结构变形是成功和有效
的为实际生产中精确控制焊接变形提供了有力的技术支撑
关键词焊接变形预测固有应变系数热输入参数
铝合金大型焊接结构
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固有应变法预测焊接变形的研究及其工程应用
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