almgsi系鋁合金mig焊溫度場及應力場數值模擬畢業論文-資料下載頁

　　

【正文】 度值都是在720℃左右，小數點的差別可以忽略；在電弧前方，溫度梯度比較徒，在電弧后方，溫度梯度比較平緩，還可以看出各個溫度梯度的區域和大小都相似，可以很好地解釋幾個不同長度的焊件溫度場的相似性。 焊縫上系列點熱循環曲線如圖47至48所示，分別為四個不同長度焊件焊縫上一系列點（每隔20mm）的熱循環曲線變化，可以看出除了100mm長度焊件在大約80mm點處的最高溫度短暫達到720℃然后迅速上升之外，其余長度的焊件都是在120mm左右的點最高溫度能達到720℃，并維持一段時間，然后當焊接到焊縫端部時所能達到的最高溫度迅速上升。100mm焊件最高溫度出現如上曲線是因為100mm的長度相對較短，按照200mm，400mm，800mm長焊件的達到720℃最高溫度的長度應該在120mm左右，但是100mm焊件總長度不足120mm，快到焊件端部的時候，由于鋁合金的熱導率遠遠大于空氣的熱導率，熱源輸入焊件的熱量很難在短時間內散失，使得在80mm處最高溫度就相對于其他長度焊件的80mm處更高，然后隨著熱源的勻速移動，之后點所能達到的最高溫度迅速上升，這就解釋了100mm焊件焊縫上最高溫度曲線的情況。如下四圖除100mm焊件之外，其他長度焊件焊縫各位置的點的最高溫度大致都相似，焊件在0，20mm，40mm，60mm，80mm，100mm處多能達到的最高溫度都為510℃,652℃,698℃，712℃,716℃,718℃，在焊件結束端所能達到的最高溫度也都相當接近，所以可以如下得出結論：當焊件達到一定長度之后，熱源勻速移動加熱焊件，焊件所能達到的最高溫度在開始階段上升，當到達一定長度時，焊接熱源對焊件輸入的熱量和焊件散失的熱量會處于相對平衡狀態，溫度保持一定，直到焊接到焊縫端部時焊件中的溫度因為輸入熱量大于散失熱量而迅速上升。如果焊件越長，中間保持的溫度場穩定狀態也越長，而除穩定狀態之外的前后端部加熱過程的長度和時間都是一定的，開始階段的長度大概是120mm，結束階段的長度大概是40mm。所以，在研究20m側墻溫度場分布時，可以用一段適當長度的側墻來代替20m側墻，其得到的各個階段的溫度場分布都是一樣的，這樣可以減少運算量，縮短時間，節省人力。 圖45 100mm焊件焊縫上系列點的熱循環曲線圖46 200mm焊件焊縫上系列點的熱循環曲線圖47 400mm焊件焊縫上系列點的熱循環曲線圖48 800mm焊件焊縫上系列點的熱循環曲線利用SYSWELD計算得到四個*，再用VisualViewer讀取四個文件。圖59至512所示分別為100mm,200mm,400mm,800mm焊件焊接冷卻一段時間后的的縱向殘余應力分布圖。圖59 100mm殘余應力分布 圖510 200mm殘余應力分布圖511 400mm殘余應力分布 圖512 800mm殘余應力分布 焊縫方向上一系列點的縱向殘余應力分布規律如圖413至416所示，分別為100mm，200mm，400mm，800mm焊件在焊縫方向上一系列點的縱向殘余應力，從四個圖中可以看出所有點都為拉應力，并且焊件兩端的拉應力都較小，中間位置的拉應力比較大，符合鋁合金平板對接焊的應力分布狀況。不同的是：100mm和200mm焊件由于長度太小，中間位置未能形成穩定的縱向應力，而400mm和800mm的焊件長度足夠長，在中間位置形成較為穩定的值為120MPa左右的縱向殘余應力，只是400mm穩定區域較短，可以推斷出如果長度再長一些，得到的結果都是一樣的，只是中間的穩定區域更長一些。圖413 100mm縱向應力 圖414 200mm縱向應力圖415 400mm縱向應力 圖416 800mm縱向應力 垂直焊縫方向橫截面上的點的縱向殘余應力如圖417至420所示，四圖的縱向應力值都是關于焊縫對稱的，其中焊縫位置的應力值稍小，在距離焊縫一定寬度的位置會出現一個或者兩個較大應力值，從圖中可以看出，100mm時只出現一個較大值，而在200mm，400mm，800mm時出現兩個較大值，并且可以從后面三圖中可以看出較大應力值都在120MPa左右，說明焊件達到一定長度之后，構件橫截面上的縱向殘余應力分布和變化趨勢都很相似。圖417 100mm縱向應力 圖418 200mm縱向應力419 400mm縱向應力 圖420 800mm縱向應力有由上面分析的縱向殘余應力沿著焊縫方向和垂直焊縫方向的變化規律來看，隨著焊件長度的變化，殘余應力還是會遵循這個變化規律，即:當焊件達到一定長度時，焊縫方向上點在中間區域的縱向殘余應力會達到穩定值，不隨焊件長度的變化而變化，而垂直焊縫方向的應力在靠近焊縫的區域表現為拉應力，在焊縫位置稍小，在距離焊縫一定距離的地方有一個或者兩個峰值，并且值的大小維持在120MPa左右，隨著點距離焊縫越遠，拉應力值變小，甚至得到壓應力值。 小結根據以上模擬不同長度焊件得到的溫度場和應力場，觀察其變化規律，可以得到一下結論：1. 當焊件達到一定長度時，焊件中間位置的溫度由于輸入熱量和散失熱量的平衡而達到穩定狀態，該穩定溫度值不隨長度變長而變化，變化的只是中間穩定溫度狀態的長度；2. 當焊件達到一定長度時，焊件在中間區域的應力值不會隨著長度的變長而變化，垂直于焊縫方向的應力變化趨勢也是相同的，即：距離焊接中心線一定距離的應力值為拉應力，隨著距離增加，拉應力減小，甚至表現為壓應力。所以在模擬很長焊件的時候，可以用適當長度的焊件來代替，得到的溫度場和應力場的結果是相同的，這樣可以減小計算規模，節省大量時間。第5章 高速列車鋁合金側墻數值模擬和分析 高速列車鋁合金側墻局部建模和網格劃分如圖51所示為一半側墻的橫截面圖，本文研究取標示2位置的部分側墻進行網格劃分和模擬，建模時我們以上一章得到的不同焊件溫度場和應力場的變化規律簡化側墻模型，取側墻局部長度為500mm，劃分網格時焊縫，熱影響區和局部母材的單元大小為1mm，之后隨著距離焊縫越遠，單元大小越大，最大的位置達到10mm左右，但是這樣網格劃分完成之后得到的網格模型仍然有十多萬個單元。本文選取的材料是工廠生產過程中選擇的型號為6N01的鋁合金，在側墻的高度方向兩端分別加了X，Y，Z方向的全約束，如圖52所示紅色部分。 圖51 墻橫截面和局部橫截面圖52局部網格劃分 不同焊接時間下的溫度場分析如上所述，本次使用的焊接構件需要焊接兩條焊縫，根據焊接第二條焊縫的時間分三種情況對鋁合金局部側墻進行數值模擬：第一種是兩條焊縫同時焊接；第二種是焊接完第一條焊縫之后在63s立即焊接第二條焊縫；第三種是第一條焊縫焊完之后讓構件冷卻一段時間在200s時焊接第二條焊縫。如圖53所示是第一種情況：同時焊接鋁合金側墻的溫度場云圖，從圖中可以看出兩條焊縫同時焊能達到的穩定最高溫度為766℃。 圖53 兩條焊縫同時焊接的穩定溫度場如下兩圖是第二種情況：焊接一條焊縫之后在63s時馬上焊接第二條焊縫得到的兩個溫度場云圖，圖54是焊接第一條焊縫時的溫度場，可以看到能達到的穩定最高溫度是752℃，圖55是焊接第二條焊縫時的溫度場，能達到的穩定溫度是749℃。圖54 第一條焊縫的穩定溫度場圖55 第二條焊縫的穩定溫度場如下兩圖是第三種情況：焊接完一條焊縫讓其冷卻一段時間之后在200s時焊接第二條焊縫的溫度場云圖。圖56是焊接第一條焊縫時的溫度場，能達到的穩定最高溫度是752℃，圖57是焊接第二條焊縫時的溫度場，能達到的穩定最高溫度是729℃。圖56 焊接第一條焊縫的穩定溫度場圖57 焊接第二條焊縫的穩定溫度場從上面得到的溫度場云圖和最大溫度值可以分析得到一下結論： 三種情況下可以看出兩個焊縫同時焊接時能達到的最高溫度最高，原因是相對其他情況來說，兩個MIG焊熱源對焊接構件同時輸入熱量，焊接構件在單位時間內得到的熱量是最多的； 從后面兩種焊接結果可以看出焊接第一條焊縫得到的穩定最高溫度值是相同的，焊接第二條焊縫時第二種情況下略高，是因為第一條焊完之后還沒有完全冷卻，焊接第二條焊縫時初始溫度比第三種完全冷卻情況下的溫度要高。 不同焊接時間下的應力場分析如圖68至613分別為三種情況下兩條焊縫的應力場云圖。從以下六圖中，可以大概看出兩道焊縫一起焊接時的能得到的側墻某個位置的最大縱向應力為213MPa，第二種情況下能得到的最大縱向應力值為210MPa，而焊完第一條焊縫冷卻一段時間之后再焊接第二條焊縫得到的最大縱向應力為200MPa左右，雖然相差只有10多MPa，但是還是能說明一定問題。圖58 第一種情況的第一條焊縫 圖59 第一種情況的第二條焊縫圖510 第二種情況的第一條焊縫 圖511 第二種情況的第二條焊縫圖512 第三種情況的第一條焊縫 圖513 第三種情況的第二條焊縫如圖514至516所示分別得到垂直焊縫方向型材表面系列點的縱向應力值曲線圖，從圖中可以以下幾點:1. 看出三者分布曲線大致相同，都是在焊縫位置表現出拉應力，且焊縫位置的拉應力稍小，距離焊縫一定距離的拉應力出現峰值，隨著距離焊縫越遠，拉應力值迅速減小，之后出現壓應力。2. 和圖58至513得到的結果相似，第三種情況即焊接完一條焊縫之后冷卻一段時間再焊第二條得到的殘余應力值相對于前兩種情況會小些，其原因是前兩種情況得到較高的溫度場，輸入焊接構件的線能量也相對較高，熱應力相對較大，屈服極限也因為過高的溫度下降得更多，所以相對于第三種情況熱應力比屈服極限大得更過，在焊接區發生更嚴重的塑性熱壓縮，冷卻后，焊接區比第三種情況相對更短，因此在焊接區形成更大的縱向殘余拉應力。而第三種情況因為有很好的冷卻，沒有較高溫度并且線能量也相對較低，所以形成較小的殘余應力。3. 三個曲線中顯示的應力值都相對于云圖中最大值200MPa左右較小，其原因是該曲線是取的表面點的應力值，而最大值是在模型中內部某個點的應力值，所以出現這種情況是正常的，并且平時我們實驗是用小孔法，測量的應力是表面以下2mm左右的應力，再加上相變應力等其他原因導致這種結果。圖514 第一種情況的縱向殘余應力 圖515 第二種情況的縱向殘余應力 圖516 第三種情況的縱向殘余應力從以上分析可以看出，三種情況下應力值的確相差不大，但是采用不同的焊接順序，焊接時間不同還是會對側墻的應力造成一定的影響，根據我們的分析得出結論：工廠進行生產時為了控制冷卻之后的殘余應力不致過大，建議可以選擇先焊接一條焊縫，待其冷卻一段時間200s或者更長時間之后再焊接另外一條焊縫得到的應力值會相對較小。結 論本文基于SYSWELD軟件和有限元理論對平板和型材結構焊件進行了溫度場和應力場的模擬計算，驗證了軟件的準確性和可行性，得出可以適當簡化焊接構件的理論依據，研究了鋁合金高速列車側墻的焊接順序對其溫度場和應力場的影響，為之后生產和研發新型列車提供了理論依據。通過本文的研究，得出以下幾方面的結論：1. 經過多次利用SYSWELD進行數值模擬計算，發現在軟件使用過程中熱源校核和網格劃分在整個模擬過程中起著很重要的作用，調節熱源模型控制熱量輸入，本文分析了不同參數對焊縫成形的影響；網格劃分基于有限元理論，分析了網格劃分過程中需要注意的地方。 2. 根據實際焊接方法和參數模擬得到的溫度場和應力場，和實驗測得的溫度值和應力值做比較，發現兩者溫度場差異基本控制在誤差范圍內，應力場的變化趨勢也大致相同，所以用SYSWELD模擬該焊接過程的溫度場和應力場是可行的，結果也是相對準確的；3. 本文通過模擬不同長度平板對接焊的溫度場和應力場，發現當焊件長度到達一定長度時，其溫度場和應力場都達到一定穩定狀態，不再隨長度的增長而變化，這為簡化鋁合金高速列車側墻模型，減少模擬計算的時間提供了強有力的理論依據；4. 以上面研究成果作為理論依據，將20m長的鋁合金側墻縮短至500mm，分同時焊接兩條焊縫，焊完一條后馬上焊接第二條，焊完一條冷卻一段時間后再焊第二條這三種情況進行計算，模擬得到溫度場和應力場，結果顯示兩條焊縫同時焊接得到的溫度值和應力值相對較大，而第三種情況的應力值較小，其原因應是同時焊接時線能量太大，所以建議企業在生產制造時考慮焊完一條焊縫時讓其冷卻一段時間再焊接第二條焊縫。致 謝首先感謝我的指導老師陳輝老師和茍國慶老師，在本次畢業設計和論文撰寫過程中他們嚴謹的治學態度，精益求精的工作作風，樸實無華、平易近人的人格魅力給我留下了深刻的印象，還要感謝在焊接實驗室的各位師兄師姐們投入大量時間和經歷給予我們悉心的指導，提出了很多寶貴的意見和建議，才使得我的畢業論文能夠順利完成，在此我對你們表示由衷的感謝，你們這些優秀的品格是我一生學習的榜樣。感謝焊接實驗室給我們提供了軟件模擬所用的高配計算機，節省了很多計算時間，使得本設計才能夠在較短的時間內完成所有的計算模擬工作。 最后感謝百忙中評閱論文的老師和蒞臨答辯的各位同學！參考文獻[1]:18P.[2] D Rosenthal. 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