【正文】 度值都是在720℃左右，小數(shù)點(diǎn)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(gè)溫度梯度的區(qū)域和大小都相似，可以很好地解釋幾個(gè)不同長(zhǎng)度的焊件溫度場(chǎng)的相似性。 焊縫上系列點(diǎn)熱循環(huán)曲線如圖47至48所示，分別為四個(gè)不同長(zhǎng)度焊件焊縫上一系列點(diǎn)（每隔20mm）的熱循環(huán)曲線變化，可以看出除了100mm長(zhǎng)度焊件在大約80mm點(diǎn)處的最高溫度短暫達(dá)到720℃然后迅速上升之外，其余長(zhǎng)度的焊件都是在120mm左右的點(diǎn)最高溫度能達(dá)到720℃，并維持一段時(shí)間，然后當(dāng)焊接到焊縫端部時(shí)所能達(dá)到的最高溫度迅速上升。100mm焊件最高溫度出現(xiàn)如上曲線是因?yàn)?00mm的長(zhǎng)度相對(duì)較短，按照200mm，400mm，800mm長(zhǎng)焊件的達(dá)到720℃最高溫度的長(zhǎng)度應(yīng)該在120mm左右，但是100mm焊件總長(zhǎng)度不足120mm，快到焊件端部的時(shí)候，由于鋁合金的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的熱導(dǎo)率，熱源輸入焊件的熱量很難在短時(shí)間內(nèi)散失，使得在80mm處最高溫度就相對(duì)于其他長(zhǎng)度焊件的80mm處更高，然后隨著熱源的勻速移動(dòng)，之后點(diǎn)所能達(dá)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(zhǎng)度焊件焊縫各位置的點(diǎn)的最高溫度大致都相似，焊件在0，20mm，40mm，60mm，80mm，100mm處多能達(dá)到的最高溫度都為510℃,652℃,698℃，712℃,716℃,718℃，在焊件結(jié)束端所能達(dá)到的最高溫度也都相當(dāng)接近，所以可以如下得出結(jié)論：當(dāng)焊件達(dá)到一定長(zhǎng)度之后，熱源勻速移動(dòng)加熱焊件，焊件所能達(dá)到的最高溫度在開始階段上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，焊接熱源對(duì)焊件輸入的熱量和焊件散失的熱量會(huì)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，溫度保持一定，直到焊接到焊縫端部時(shí)焊件中的溫度因?yàn)檩斎霟崃看笥谏⑹崃慷杆偕仙Ｈ绻讣介L(zhǎng)，中間保持的溫度場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)也越長(zhǎng)，而除穩(wěn)定狀態(tài)之外的前后端部加熱過程的長(zhǎng)度和時(shí)間都是一定的，開始階段的長(zhǎng)度大概是120mm，結(jié)束階段的長(zhǎng)度大概是40mm。所以，在研究20m側(cè)墻溫度場(chǎng)分布時(shí)，可以用一段適當(dāng)長(zhǎng)度的側(cè)墻來代替20m側(cè)墻，其得到的各個(gè)階段的溫度場(chǎng)分布都是一樣的，這樣可以減少運(yùn)算量，縮短時(shí)間，節(jié)省人力。 圖45 100mm焊件焊縫上系列點(diǎn)的熱循環(huán)曲線圖46 200mm焊件焊縫上系列點(diǎn)的熱循環(huán)曲線圖47 400mm焊件焊縫上系列點(diǎn)的熱循環(huán)曲線圖48 800mm焊件焊縫上系列點(diǎn)的熱循環(huán)曲線利用SYSWELD計(jì)算得到四個(gè)*，再用VisualViewer讀取四個(gè)文件。圖59至512所示分別為100mm,200mm,400mm,800mm焊件焊接冷卻一段時(shí)間后的的縱向殘余應(yīng)力分布圖。圖59 100mm殘余應(yīng)力分布 圖510 200mm殘余應(yīng)力分布圖511 400mm殘余應(yīng)力分布 圖512 800mm殘余應(yīng)力分布 焊縫方向上一系列點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)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(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力，從四個(gè)圖中可以看出所有點(diǎn)都為拉應(yīng)力，并且焊件兩端的拉應(yīng)力都較小，中間位置的拉應(yīng)力比較大，符合鋁合金平板對(duì)接焊的應(yīng)力分布狀況。不同的是：100mm和200mm焊件由于長(zhǎng)度太小，中間位置未能形成穩(wěn)定的縱向應(yīng)力，而400mm和800mm的焊件長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，在中間位置形成較為穩(wěn)定的值為120MPa左右的縱向殘余應(yīng)力，只是400mm穩(wěn)定區(qū)域較短，可以推斷出如果長(zhǎng)度再長(zhǎng)一些，得到的結(jié)果都是一樣的，只是中間的穩(wěn)定區(qū)域更長(zhǎng)一些。圖413 100mm縱向應(yīng)力 圖414 200mm縱向應(yīng)力圖415 400mm縱向應(yīng)力 圖416 800mm縱向應(yīng)力 垂直焊縫方向橫截面上的點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力如圖417至420所示，四圖的縱向應(yīng)力值都是關(guān)于焊縫對(duì)稱的，其中焊縫位置的應(yīng)力值稍小，在距離焊縫一定寬度的位置會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或者兩個(gè)較大應(yīng)力值，從圖中可以看出，100mm時(shí)只出現(xiàn)一個(gè)較大值，而在200mm，400mm，800mm時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)較大值，并且可以從后面三圖中可以看出較大應(yīng)力值都在120MPa左右，說明焊件達(dá)到一定長(zhǎng)度之后，構(gòu)件橫截面上的縱向殘余應(yīng)力分布和變化趨勢(shì)都很相似。圖417 100mm縱向應(yīng)力 圖418 200mm縱向應(yīng)力419 400mm縱向應(yīng)力 圖420 800mm縱向應(yīng)力有由上面分析的縱向殘余應(yīng)力沿著焊縫方向和垂直焊縫方向的變化規(guī)律來看，隨著焊件長(zhǎng)度的變化，殘余應(yīng)力還是會(huì)遵循這個(gè)變化規(guī)律，即:當(dāng)焊件達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，焊縫方向上點(diǎn)在中間區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，不隨焊件長(zhǎng)度的變化而變化，而垂直焊縫方向的應(yīng)力在靠近焊縫的區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在焊縫位置稍小，在距離焊縫一定距離的地方有一個(gè)或者兩個(gè)峰值，并且值的大小維持在120MPa左右，隨著點(diǎn)距離焊縫越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力值變小，甚至得到壓應(yīng)力值。 小結(jié)根據(jù)以上模擬不同長(zhǎng)度焊件得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，觀察其變化規(guī)律，可以得到一下結(jié)論：1. 當(dāng)焊件達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該穩(wěn)定溫度值不隨長(zhǎng)度變長(zhǎng)而變化，變化的只是中間穩(wěn)定溫度狀態(tài)的長(zhǎng)度；2. 當(dāng)焊件達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，焊件在中間區(qū)域的應(yīng)力值不會(huì)隨著長(zhǎng)度的變長(zhǎng)而變化，垂直于焊縫方向的應(yīng)力變化趨勢(shì)也是相同的，即：距離焊接中心線一定距離的應(yīng)力值為拉應(yīng)力，隨著距離增加，拉應(yīng)力減小，甚至表現(xiàn)為壓應(yīng)力。所以在模擬很長(zhǎng)焊件的時(shí)候，可以用適當(dāng)長(zhǎng)度的焊件來代替，得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果是相同的，這樣可以減小計(jì)算規(guī)模，節(jié)省大量時(shí)間。第5章 高速列車鋁合金側(cè)墻數(shù)值模擬和分析 高速列車鋁合金側(cè)墻局部建模和網(wǎng)格劃分如圖51所示為一半側(cè)墻的橫截面圖，本文研究取標(biāo)示2位置的部分側(cè)墻進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模擬，建模時(shí)我們以上一章得到的不同焊件溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律簡(jiǎn)化側(cè)墻模型，取側(cè)墻局部長(zhǎng)度為500mm，劃分網(wǎng)格時(shí)焊縫，熱影響區(qū)和局部母材的單元大小為1mm，之后隨著距離焊縫越遠(yuǎn)，單元大小越大，最大的位置達(dá)到10mm左右，但是這樣網(wǎng)格劃分完成之后得到的網(wǎng)格模型仍然有十多萬(wàn)個(gè)單元。本文選取的材料是工廠生產(chǎn)過程中選擇的型號(hào)為6N01的鋁合金，在側(cè)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(wǎng)格劃分 不同焊接時(shí)間下的溫度場(chǎng)分析如上所述，本次使用的焊接構(gòu)件需要焊接兩條焊縫，根據(jù)焊接第二條焊縫的時(shí)間分三種情況對(duì)鋁合金局部側(cè)墻進(jìn)行數(shù)值模擬：第一種是兩條焊縫同時(shí)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(gòu)件冷卻一段時(shí)間在200s時(shí)焊接第二條焊縫。如圖53所示是第一種情況：同時(shí)焊接鋁合金側(cè)墻的溫度場(chǎng)云圖，從圖中可以看出兩條焊縫同時(shí)焊能達(dá)到的穩(wěn)定最高溫度為766℃。 圖53 兩條焊縫同時(shí)焊接的穩(wěn)定溫度場(chǎng)如下兩圖是第二種情況：焊接一條焊縫之后在63s時(shí)馬上焊接第二條焊縫得到的兩個(gè)溫度場(chǎng)云圖，圖54是焊接第一條焊縫時(shí)的溫度場(chǎng)，可以看到能達(dá)到的穩(wěn)定最高溫度是752℃，圖55是焊接第二條焊縫時(shí)的溫度場(chǎng)，能達(dá)到的穩(wěn)定溫度是749℃。圖54 第一條焊縫的穩(wěn)定溫度場(chǎng)圖55 第二條焊縫的穩(wěn)定溫度場(chǎng)如下兩圖是第三種情況：焊接完一條焊縫讓其冷卻一段時(shí)間之后在200s時(shí)焊接第二條焊縫的溫度場(chǎng)云圖。圖56是焊接第一條焊縫時(shí)的溫度場(chǎng)，能達(dá)到的穩(wěn)定最高溫度是752℃，圖57是焊接第二條焊縫時(shí)的溫度場(chǎng)，能達(dá)到的穩(wěn)定最高溫度是729℃。圖56 焊接第一條焊縫的穩(wěn)定溫度場(chǎng)圖57 焊接第二條焊縫的穩(wěn)定溫度場(chǎng)從上面得到的溫度場(chǎng)云圖和最大溫度值可以分析得到一下結(jié)論： 三種情況下可以看出兩個(gè)焊縫同時(shí)焊接時(shí)能達(dá)到的最高溫度最高，原因是相對(duì)其他情況來說，兩個(gè)MIG焊熱源對(duì)焊接構(gòu)件同時(shí)輸入熱量，焊接構(gòu)件在單位時(shí)間內(nèi)得到的熱量是最多的； 從后面兩種焊接結(jié)果可以看出焊接第一條焊縫得到的穩(wěn)定最高溫度值是相同的，焊接第二條焊縫時(shí)第二種情況下略高，是因?yàn)榈谝粭l焊完之后還沒有完全冷卻，焊接第二條焊縫時(shí)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(shí)間下的應(yīng)力場(chǎng)分析如圖68至613分別為三種情況下兩條焊縫的應(yīng)力場(chǎng)云圖。從以下六圖中，可以大概看出兩道焊縫一起焊接時(shí)的能得到的側(cè)墻某個(gè)位置的最大縱向應(yīng)力為213MPa，第二種情況下能得到的最大縱向應(yīng)力值為210MPa，而焊完第一條焊縫冷卻一段時(shí)間之后再焊接第二條焊縫得到的最大縱向應(yīng)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(diǎn)的縱向應(yīng)力值曲線圖，從圖中可以以下幾點(diǎn):1. 看出三者分布曲線大致相同，都是在焊縫位置表現(xiàn)出拉應(yīng)力，且焊縫位置的拉應(yīng)力稍小，距離焊縫一定距離的拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值，隨著距離焊縫越遠(yuǎn)，拉應(yīng)力值迅速減小，之后出現(xiàn)壓應(yīng)力。2. 和圖58至513得到的結(jié)果相似，第三種情況即焊接完一條焊縫之后冷卻一段時(shí)間再焊第二條得到的殘余應(yīng)力值相對(duì)于前兩種情況會(huì)小些，其原因是前兩種情況得到較高的溫度場(chǎng)，輸入焊接構(gòu)件的線能量也相對(duì)較高，熱應(yīng)力相對(duì)較大，屈服極限也因?yàn)檫^高的溫度下降得更多，所以相對(duì)于第三種情況熱應(yīng)力比屈服極限大得更過，在焊接區(qū)發(fā)生更嚴(yán)重的塑性熱壓縮，冷卻后，焊接區(qū)比第三種情況相對(duì)更短，因此在焊接區(qū)形成更大的縱向殘余拉應(yīng)力。而第三種情況因?yàn)橛泻芎玫睦鋮s，沒有較高溫度并且線能量也相對(duì)較低，所以形成較小的殘余應(yīng)力。3. 三個(gè)曲線中顯示的應(yīng)力值都相對(duì)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(diǎn)的應(yīng)力值，而最大值是在模型中內(nèi)部某個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力值，所以出現(xiàn)這種情況是正常的，并且平時(shí)我們實(shí)驗(yàn)是用小孔法，測(cè)量的應(yīng)力是表面以下2mm左右的應(yīng)力，再加上相變應(yīng)力等其他原因?qū)е逻@種結(jié)果。圖514 第一種情況的縱向殘余應(yīng)力 圖515 第二種情況的縱向殘余應(yīng)力 圖516 第三種情況的縱向殘余應(yīng)力從以上分析可以看出，三種情況下應(yīng)力值的確相差不大，但是采用不同的焊接順序，焊接時(shí)間不同還是會(huì)對(duì)側(cè)墻的應(yīng)力造成一定的影響，根據(jù)我們的分析得出結(jié)論：工廠進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)為了控制冷卻之后的殘余應(yīng)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(shí)間200s或者更長(zhǎng)時(shí)間之后再焊接另外一條焊縫得到的應(yīng)力值會(huì)相對(duì)較小。結(jié) 論本文基于SYSWELD軟件和有限元理論對(duì)平板和型材結(jié)構(gòu)焊件進(jìn)行了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算，驗(yàn)證了軟件的準(zhǔn)確性和可行性，得出可以適當(dāng)簡(jiǎn)化焊接構(gòu)件的理論依據(jù)，研究了鋁合金高速列車側(cè)墻的焊接順序?qū)ζ錅囟葓?chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響，為之后生產(chǎn)和研發(fā)新型列車提供了理論依據(jù)。通過本文的研究，得出以下幾方面的結(jié)論：1. 經(jīng)過多次利用SYSWELD進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在軟件使用過程中熱源校核和網(wǎng)格劃分在整個(gè)模擬過程中起著很重要的作用，調(diào)節(jié)熱源模型控制熱量輸入，本文分析了不同參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響；網(wǎng)格劃分基于有限元理論，分析了網(wǎng)格劃分過程中需要注意的地方。 2. 根據(jù)實(shí)際焊接方法和參數(shù)模擬得到的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度值和應(yīng)力值做比較，發(fā)現(xiàn)兩者溫度場(chǎng)差異基本控制在誤差范圍內(nèi)，應(yīng)力場(chǎng)的變化趨勢(shì)也大致相同，所以用SYSWELD模擬該焊接過程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)是可行的，結(jié)果也是相對(duì)準(zhǔn)確的；3. 本文通過模擬不同長(zhǎng)度平板對(duì)接焊的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊件長(zhǎng)度到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)都達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而變化，這為簡(jiǎn)化鋁合金高速列車側(cè)墻模型，減少模擬計(jì)算的時(shí)間提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)；4. 以上面研究成果作為理論依據(jù)，將20m長(zhǎng)的鋁合金側(cè)墻縮短至500mm，分同時(shí)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(shí)間后再焊第二條這三種情況進(jìn)行計(jì)算，模擬得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)果顯示兩條焊縫同時(shí)焊接得到的溫度值和應(yīng)力值相對(duì)較大，而第三種情況的應(yīng)力值較小，其原因應(yīng)是同時(shí)焊接時(shí)線能量太大，所以建議企業(yè)在生產(chǎn)制造時(shí)考慮焊完一條焊縫時(shí)讓其冷卻一段時(shí)間再焊接第二條焊縫。致 謝首先感謝我的指導(dǎo)老師陳輝老師和茍國(guó)慶老師，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文撰寫過程中他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，樸實(shí)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(shí)驗(yàn)室的各位師兄師姐們投入大量時(shí)間和經(jīng)歷給予我們悉心的指導(dǎo)，提出了很多寶貴的意見和建議，才使得我的畢業(yè)論文能夠順利完成，在此我對(duì)你們表示由衷的感謝，你們這些優(yōu)秀的品格是我一生學(xué)習(xí)的榜樣。感謝焊接實(shí)驗(yàn)室給我們提供了軟件模擬所用的高配計(jì)算機(jī)，節(jié)省了很多計(jì)算時(shí)間，使得本設(shè)計(jì)才能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成所有的計(jì)算模擬工作。 最后感謝百忙中評(píng)閱論文的老師和蒞臨答辯的各位同學(xué)！參考文獻(xiàn)[1]:18P.[2] D Rosenthal. 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