【文章內容簡介】 .................................................. 31 第 4 章 溫度場和應力場的尺寸效應 ....................................................................................... 33 模擬方法設計和計算 ................................................................................................. 33 不同長度焊件溫度場變化情況 ................................................................................... 34 典型時間點的溫度場云圖 ................................................................................ 34 焊縫上系列點熱循環(huán)曲線 ................................................................................ 34 不同長度焊件的殘余應力變化情況 ............................................................................. 37 焊縫方向上一系列點的縱向殘余應力分布規(guī)律 ................................................. 38 垂直焊縫方向橫截面上的點的縱向殘余應力 .................................................... 39 小結 .......................................................................................................................... 40 第 5 章 高速列車鋁合金側墻數(shù)值模擬和分析 ......................................................................... 41 高速列車鋁合金側墻局部建模和網(wǎng)格劃分 .................................................................. 41 不同焊接時間下的溫度場分析 ................................................................................... 42 不同焊接時間下的應力場分析 ................................................................................... 45 結 論 ..................................................................................................................................... 48 致 謝 ..................................................................................................................................... 49 參考文獻 ................................................................................................................................ 50 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒論 本論文研究的意義 隨著中國經(jīng)濟快速發(fā)展，人們生活節(jié)奏加快，對出行使用的 交通工具要求也越來越高。在此背景下，高速列車在我國得到快速發(fā)展和應用 ，焊接技術作為一種很重要的成型技術很廣泛地運用于鋁合金高速列車制造中，研究焊接工藝對制造性能良好的高速列車有很重要的意義。 相對于其他成型技術，焊接具有接頭強度高，結構設計靈活性大，接頭密封性好，成品率高等優(yōu)點，但是焊接過程是一個相當復雜的過程，涉及到電弧產(chǎn)生， 復雜傳熱，金屬相變，焊接變形和焊接應力等。焊接過程中高密度的瞬時熱輸入，局部加熱，熱源的相對運動，使得所焊工件受熱不均勻， 溫度場很復雜， 產(chǎn)生很大的應力（殘余應力，熱應力，相變殘余應力）和變形（焊接角變形，焊接收縮，焊接翹曲和焊接扭曲等），對工件的結構和性能產(chǎn)生不好的影響，也影響焊接結構的加工精度和尺寸的穩(wěn)定性，所以在焊接設計和施工時必須充分考慮溫度和應力對焊接結構和性能的影響。所以，對鋁合金車體焊接過程中溫度場和應力場數(shù)值進行測量，分析，預測和模擬具有很重要的意義。 以前，對焊接溫度場和應力場的分析都是通過 實驗方法測得有關溫度場和應力場的數(shù)據(jù)再進行分析，因為外界很多不確定因素的影響，例如測量數(shù)據(jù)誤差，工件不規(guī)則或者工件存在內部應力，導致實驗數(shù)據(jù)不是十分精確，并且還浪費大量人力，物力，財力和時間，所以實驗方法 測量溫度場和應力場一定程度上受到一定限制，不能得到廣泛推廣，在計算機技術快速發(fā)展和大型數(shù)值模擬商業(yè)軟件 不斷完善 的今天，采用數(shù)值模擬的方法可以很好解決這個問題。 數(shù)值模擬方法有很多種，如有限元法，數(shù)值積分法，蒙特卡洛法 ，差分法等，尤其是有限元法已經(jīng)很廣泛地運用于焊接熱傳導，焊接應力和焊接變形 分析中。而有限元模 擬軟件現(xiàn)在也有很多，比較常用的有 ANSYS,MARC,ADINA 等大型商業(yè)軟件。 SYSWELD 作為一個大型有限元數(shù)值模擬商業(yè)軟件，在焊接過程中，相比于 ANSYS等有限元分析軟件，可以得到更好的模擬數(shù)據(jù)和準確的模擬結果 ，目前正處于推廣階段 。 SYSWELD 的開發(fā)最初源于核工業(yè)領域的焊接工藝模擬，當時核工業(yè)需要揭示焊接工藝中的復雜物理現(xiàn)象，以便提前預測裂紋等重大危險。在這種背景下， 1980 年， 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 法國法碼通公司和 ESI 公司共同開展了 SYSWELD 的工藝開發(fā)，由于熱處理工藝中同樣存在和焊接工藝相類似的多相物理現(xiàn)象， 所以 SYSWELD 很快也被應用到熱處理領域中并不斷增強和完善，隨著應用的發(fā)展， SYSWELD 逐漸擴大了其應用范圍，并迅速被汽車工業(yè)，航空航天，國防和重型工業(yè)所采用 [1]。 1997 年， SYSWELD 正式加入ESI 集團，法碼通成為 SYSWELD 在法國最大的用戶并繼續(xù)承擔軟件的理論開發(fā)與工業(yè)驗證工作。 本文就基于 SYSWELD 軟件平臺，采用雙橢球熱源分布模式（焊接鋁合金的 MIG焊的通用熱源模型），利用和平板對接接頭的溫度場和應力場實驗數(shù)據(jù)對比，驗證SYSWELD 模擬數(shù)據(jù)的準確性， 模擬不同長度下焊件的溫度場和應力 場，分析變化規(guī)律， 然后建立 不同焊接 順序 下鋁合金高速列車側墻的溫度場和應力場的有限元數(shù)值 模擬，分析溫度場 和線能量 對應力的 影響 ，為以后鋁合金管高速列車的生產(chǎn)和研制提供新的方法，減少研發(fā)經(jīng)費和研發(fā)周期。 焊接溫度場和應力場數(shù)值模擬的國內外歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 焊接過程是一個非常復雜的過程，涉及電弧產(chǎn)生，熱量傳導，金屬熔化，組織相變和焊接應力和變形等眾多物理現(xiàn)象，電弧產(chǎn)生和焊接設備的電流，電壓，熱效率等有關，熱量傳導和焊件材料的熱物性參數(shù)和邊界條件等有關系，焊件應力和變形和焊接過程的溫度場分布，約束條 件，載荷條件 等有關系。如果用實驗的方法去測量溫度場和應力場，必須 考慮測量誤差的存在，并且還會浪費很多時間，大量的人力，物力和財力，經(jīng)濟效益不好。 如果能夠在計算機上去模擬決定焊接溫度場和應力場的因素，就可以通過在計算機上改變這些因素來 得到高質量的焊接接頭，從而確定最佳的焊接設計工藝和焊接參數(shù)，并且能夠大大地節(jié)約人力，物力和財力，減少實驗工作量。可想而知，如果能夠很好地實現(xiàn)焊接數(shù)值模擬，對研究焊接工藝和參數(shù)有很大的意義，世界各國的科學家也很早就開始了這方面的理論研究和模擬運算。 焊接溫度場數(shù)值模擬國內外歷史及 發(fā)展現(xiàn)狀 焊接熱源的高密度瞬態(tài)熱源輸入造成焊接過程中焊接受熱不均勻性，是造成焊接應力和應變產(chǎn)生的最重要原因，所以模擬焊接熱過程是非常必要的。 國外早在 20 世紀 40 年代就開始了對于焊接熱過程的研究， 分析了 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 3 頁 勻速移動熱源在焊件中的熱傳導過程 ，但 并未考慮到一些熱物性參數(shù)會 隨溫度 變化而變化 [2]。 雷卡林將焊接熱源 模型歸納簡化 為點，線，面三種理想熱源 模型 ，對焊接熱源模擬 計算提供了很多理論依據(jù) ，但受當時計算 機應用技術還不夠成熟 ， 其計算結果還存在很大誤差。 20 世紀 60 年代后 ，隨著電子 計算機應用 技術不 斷 發(fā)展 ，也給 焊接熱過程的數(shù)值分析提供了 很好的條件 。 如今 有限元法在數(shù)值模擬中得到廣泛應用，其提出時間可以追溯到 1943 年，由 Courant 提出，并應用于 固體 力學 中，與差分法相比，有限元 數(shù)值模擬 法可以用任意形狀的網(wǎng)格單元以及 根據(jù) 研究 需要 疏密有致地 設置單元大小 ，所以 在數(shù)值模擬得到了很廣泛的應用 。 1966 年， Wilson 和 Nickell 首先將利用 有限元 數(shù)值法模擬 固態(tài)熱傳導 過程，并用實驗驗證 [3]。 之后 美國的 在其 博士論文中利用有限元法建立了二維模型并分析其溫度場 。 之后世界各地的科學家又基于有限元分析 理論，結合實際焊接方法建立了各自的溫度場分析模型。例如 Sonti 和 Amateau根據(jù) 鋁合金激光 焊特點建立了 二維 溫度場 有限元模型 [4],Tekriwall 建立 三 維有限元模型分析了氣體保護焊的溫度場 情況 [5]。為了 更加全面分析焊接 溫度場， 得到和實際情況更加一致的溫度場， 美國科學家 bathe 熱傳導過程中 ，不僅考慮了熱對流以及輻射傳熱 等其他熱現(xiàn)象，而且還考慮了相變潛熱等因素 ， 設置的模擬參數(shù)和實際情況更加接近 [6]。 2021 年南非開普頓大學的 Ronda 等 建立了 相變規(guī)律和相變塑性 的系統(tǒng)理論 ，建立的 TMM 模型不僅研究了溫 度變化對相變的影響，而且還研究了應力應變對相變的影響， 是最近幾年為研究有限元分析提供的比較成功的技術之一 [7]。 隨著計算機應用技術的發(fā)展，基于以上很多科學家提供的有限元理論，很多軟件公司開發(fā)了很多基于有限元數(shù)值模擬的商業(yè)軟件，例如常用的 ANSYS， MARC,ADINA等，為焊接過程的有限元數(shù)值模擬分析提供了很好的分析工具。近幾年，類似于 ANSYS的 有限元數(shù)模擬商業(yè)軟件 SYSWELD 的出現(xiàn)進一步推動了有限元數(shù)值模擬的發(fā)展。北京交通大學，重慶大學，合肥工業(yè)大學，哈爾濱工業(yè)大學的教授和學生基于 SYSWELD利用 有限元理論對不同結構焊件，不同焊接方法進行了溫度場的數(shù)值模擬， 均驗證了SYSWELD 的準確性和可行性 。 浙江大學畢艷霞利用 SYSWELD 對 T 型接頭的溫度場進行了模擬，對典型時刻的焊接溫度場分布情況以及焊縫中心線上典型點的熱循環(huán)曲線進行分析，分析了不同焊接速度對溫度場分布的影響 [8]。 合肥工業(yè)學院材料學院華鵬等人基于 SYSWELD 建立模型，采用雙橢球熱源模型對平板鋼堆焊的溫度場進行了模擬計算，并用實測結果進行了驗 證 [9]。陳玉華等人基于 SYSWELD 對在役管道焊接時的溫 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 4 頁 度場進行了數(shù)值模擬，分析了管道中介質流速、 管壁厚度和線能量等因素對溫度場的影響，并對模擬結果進行了驗證 [10]。 李瑞英等人采用雙橢球熱源模型 模擬了勻速運動電弧下 TIG焊接不銹鋼的溫度場，觀察了熔池形態(tài)演變并和實際情況進行了對比 [11]。重慶大學的黃彥彥等基于 SYSWELD 對低合金結構鋼的 CO2 焊的溫度場進行了模擬，得到了瞬態(tài)溫度場云圖和典型點的熱循環(huán)曲線并對其進行了驗證 [12]。 焊接應力場數(shù)值模擬國內外歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 焊件經(jīng)過焊接之后得到的殘余應力會 嚴重影響制造過程和焊件的使用性能， 具體會對以下幾個方面有影響： 1. 對構件剛度的影響 : 殘余 應力對結構剛度的影響程度取決于在受載的界面上受到殘余拉應力區(qū)域的面積大小，這部分的面積越大，對結構剛度的影響就越大。 2. 對構件靜強度的影響 ：當結構件的是工作在低溫環(huán)境或者結構中的焊接殘余應力是屬于三向受拉狀態(tài)時，即使材料具有足夠的塑性，焊接殘余應力 仍 會降低結構的靜強度 3. 對