八万吨模锻压机主缸焊接应力场有限元分析

针对八万吨模锻压机主缸焊接应力和变形难于精确控制的问题,建立了主缸焊接有限元模型,通过模拟计算和试验验证,得到了主缸焊接温度场、应力场和变形.结果表明,主缸焊接过程中焊缝温度最高,约为2 100℃,接头区域温度梯度最大.主缸焊后最大位移位于主缸顶部,位移量约为7.4 mm,焊缝区位移量较小.在焊接前应考虑对主缸底部和顶部进行约束,防止焊后产生较大变形.主缸焊缝区等效应力最大,约为470 MPa,热影响区应力次之,母材应力最小.在热处理前要注意接头上表面是否存在焊接裂纹等缺陷.以上结果为主缸实际焊接提供了计算数据参考.     

基于Verity方法的焊缝疲劳评估原理及验证

Verity方法是计算焊缝疲劳寿命的最新方法.该方法是在有限元计算过程中,将焊趾处结点载荷向单元边分布载荷进行等效转换,以薄膜应力解析公式求解焊趾处结构应力,实现了结构应力对有限元网格不敏感方法.Verity方法还基于Paris断裂力学公式,推导了以等效结构应力幅为参数的主S-N曲线方程.为验证Verity方法的有效性,以装甲钢T形焊接接头为对象,进行了仿真计算与疲劳试验.结果表明,采用Verity方法计算结构应力具有网格不敏感特性,根据主S-N曲线方程计算结果与试验值较为接近,和其它传统焊缝疲劳评估方法相比,Verity方法计算精度高,优势明显.     

焊接结构模态结构应力法程序开发及工程应用

主S-N曲线法作为疲劳计算的新方法在焊接结构疲劳分析中被广泛采用.为了实现该方法在试验载荷下基于稳态动力学计算结果开展焊接结构疲劳寿命预测,首先引入台架模型作为边界条件,实现将试验载荷作为仿真分析的输入,基于模态叠加法的稳态动力学理论获得较准确的焊缝动态响应.其次在主S-N曲线法的准静态计算流程基础上,扩展其内涵,提出基于模态结构应力叠加的动态结构应力计算方法,该方法将稳态动力学计算的模态坐标与焊缝的模态结构应力进行叠加,实现动态结构应力计算及动态等效结构应力计算,再采用主S-N曲线进行寿命评估预测.进一步开发了焊接结构模态结构应力法疲劳评估软件,基于该软件开展了车体疲劳评估和疲劳试验对比.结果表明,该方法比传统方法更能有效地识别出动态加载下车体的疲劳破坏部位,验证了该方法在试验动态载荷加载下开展焊接结构疲劳评估的有效性和优越性,为研究焊接结构疲劳寿命评估理论和拓展主S-N曲线法提供了技术基础.     

大型核电结构焊接残余应力高效数值计算

提出采用模拟件-产品件有限元数值计算方法进行大型结构多道焊接残余应力的高效三维数值计算。首先进行模型件制造和试验测试,获得温度循环、残余应力等数据,然后针对模拟件残余应力进行数值计算,以试验数据标定模拟件模型和算法,并开展一系列的优化和高效计算,如焊道简化等,最后将优化算法和模型应用于产品件的数值计算上。实现了包含两非中心孔位置J型焊缝的压力容器顶盖产品件焊接残余应力高效计算,并研究了两J型焊缝间的应力叠加效应。结果表明:模拟件-产品件的研究方法可应用于核电大型焊接结构的残余应力高效数值分析,计算结果说明控制杆驱动结构管座焊缝之间的应力叠加效果不明显。     

缆式焊丝CO2气体保护焊接头残余应力高效数值计算和试验

文中采用基于焊缝形貌的温度热源模型高效计算其热过程,通过单丝CO2气体保护焊堆焊件的温度场计算和焊缝形貌比较验证该热源模型的正确性,采用小孔法测试表面应力验证基于该热源模型的残余应力计算结果.结果表明,基于焊缝形貌的给定温度热源模型适用于缆式焊丝CO2气体保护焊的焊接温度场高效数值模拟;缆式焊丝CO2气体保护焊的上表面焊缝区域及焊缝中心沿厚度方向的应力分布与埋弧焊基本一致,但远离焊缝区域的纵向压缩应力幅值大于埋弧焊纵向压缩应力.     

厚板镁合金MIG焊焊接残余应力场的数值模拟

依据镁合金焊接特点,针对10 mm厚AZ40M镁合金制订合理焊接工艺.在进行温度场与残余应力的有限元模拟分析中,考虑材料物理性能参数随温度的非线性变化,采用生死单元技术及双椭球移动热源模拟焊接过程,用间接法进行耦合计算.计算结果表明:热源经过的焊缝部分温度达到材料熔点,升温降温快,远离焊缝部分温度梯度小.焊后横向最大压应力在焊缝两端,最大拉应力在距焊缝中心线30 mm处;纵向最大拉应力在距焊缝中心线15～35 mm处,最大压应力在距焊缝中心线45～70 mm处.对最大残余应力区域的关键点进行分析测量验证,测量结果与计算结果相符,得到的残余应力循环曲线与实际理论相符.     

摆线轮磨齿机回转台系统动态特性分析

为提高摆线轮磨齿机的加工精度以及传动过程的稳定性，对其回转台的性能进行分析。建立转台传动系统的动力学模型，结合转台的实际参数，计算连接轴的扭转刚度和阻尼系数。通过Newmark-β法对建立的动力学模型进行求解，得出传动系统在传动过程中的稳定性和传动精度，并搭建实验台进行验证。实验结果表明：回转台传动系统具有良好的动态响应，可以获得很高的定位精度和重复定位精度。     

尺寸因素对2D轴对称模型计算不锈钢管焊接残余应力精度的影响

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了尺寸因素对2D轴对称模型计算SUS316不锈钢管焊接残余应力精度的影响。基于通用有限元软件MSC. Marc,分别采用2D轴对称模型和3D模型计算了不同尺寸圆管对接接头的温度场和焊接残余应力分布,并将小尺寸管残余应力计算结果与实验测量结果进行了比较。结果表明,2D轴对称模型与3D模型计算结果整体吻合较好,但在靠近内表面的焊缝及近焊缝区域,焊接残余应力的幅值和拉压应力区域的大小存在一定差别,且差别随圆管尺寸的增加而增大。对于实际的工程应用,在不考虑始终端应力问题时,可以用2D轴对称模型代替3D模型计算环焊缝稳定区残余应力,从而节省大量计算时间。     

焊道简化对核电J形焊缝残余应力数值计算影响

焊接残余应力三维数值计算效率低下。本文研究了简化焊道(焊道分组)方法对核电J形焊缝三维残余应力数值计算效率和精度的影响。将18道焊接简化为10道焊接和5道焊接,比较了三种模型的计算效率和计算结果。结果表明:简化焊道模型的计算时间减少量与简化焊道量不成正比;J形焊缝简化为10道焊接时计算的应力结果和不简化焊道模型基本一致,而计算效率提高23%;简化为5道焊接时计算得到的应力幅值和分布宽度与不简化焊道模型计算的有显著不同;简化焊道相当于焊接热输入增加,热输入增加一定程度(小于2倍)不会造成J形焊缝残余应力明显变化。     

不同工况下转台动静态特性分析与轻量化设计

针对某大型加工中心转台的结构特点,建立其有限元模型,进行动静态特性分析、轻量化设计与验证.对转台在不同工况下进行强度分析与模态分析,获取转台的应力分布状况,结果表明构件强度足够,可通过结构优化进行轻量化设计.结合灵敏度分析与拓扑优化的结果,提出转台轻量化设计方案,转台优化后减重达6.5％.通过对比优化前后转台在不同工况下的强度、模态特性,验证了优化方案的可行性.     

差厚激光拼焊板盒形件的数值模拟研究

拼焊板技术在汽车制造业中得到了广泛的应用。焊缝存在是导致拼焊板成形性能降低的重要影响因素，因此研究控制焊缝移动非常重要。通过对盒形件拉深过程的应力分析，得到了焊缝移动规律。基于非线性隐式算法，选用各向异性屈服准则对盒形件拉深进行了数值模拟；数值模拟中采用阶梯压边圈，并精确建立了焊缝模型。通过对模拟结果的应力、单元厚度分析，比较模拟结果和试验的吻合程度，验证了应力分析和模拟结果的正确性。     

基于Dynaform的激光拼焊板成形性能数值模拟研究

为了解决同种材料、等厚度激光拼焊板在数值模拟研究中如何建立准确的焊缝模型这一难题,通过显微硬度试验测量拼焊板焊接接头焊缝区和热影响区的硬度值,并对这些数据进行分析和计算,得到两个区域的材料力学性能参数,建立焊缝模型,并采用有限元模拟软件Dynaform 5.5对建立的焊缝模型进行数值模拟.通过模拟和试验结果的对比,验证...     

考虑焊缝和母材不同材料特性的焊接平板疲劳裂纹扩展行为模拟

为准确描述焊接结构的疲劳裂纹扩展行为，基于Abaqus、Zencrack及相应子程序建立了考虑材料不连续的疲劳裂纹扩展模拟方法.对于初始埋藏裂纹位于焊缝区的平板焊接结构，考虑焊缝和母材不同强度匹配，进行疲劳裂纹扩展模拟，研究了不同强度匹配对焊接结构疲劳裂纹扩展寿命和扩展特性的影响.研究结果表明，当裂纹前缘由焊缝跨越至母材区域时，焊缝和母材区域的应力强度因子计算结果出现明显变化，并随着裂纹尺寸的逐渐加大，两者差异越大.随着焊缝材料裂纹扩展参数逐渐增大，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变慢，裂纹形状逐渐由圆形向扁平状椭圆形过渡；相反地，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变快，裂纹形状逐渐由圆形向椭圆形过渡.文中的模拟方法有望为准确预测焊接结构的跨材料裂纹扩展行为提供有效途径.     

压力容器吊耳多层多道焊不同焊接顺序的数值模拟

采用有限元软件对压力容器吊耳的焊接进行三维多层多道焊仿真模拟,运用生死单元技术对2种不同焊接顺序进行焊接填充仿真,得到不同焊接顺序下焊接接头的温度场、残余应力场以及变形场,对结果进行数值分析及比较,并对性能较好的工艺进行计算及硬度测试验证。结果表明:焊接顺序对残余应力及变形有很大影响,后续道次的焊接对已填充完成的焊缝有预热作用,并消除部分残余应力;焊缝方向中心区域应力水平超过材料屈服强度,为耳板焊接结构易断裂区域;单边依次焊接方案较双边交替焊接方案获得的残余应力小,硬度试验及强度计算结果表明,该方案满足实际工程要求,为实际焊接提供参考依据。     

钛合金大厚板窄间隙焊接接头三维应力数值模拟计算

基于热-力耦合的焊接热弹塑性有限元法,建立运动电弧作用下的二维体热源模型.采用"生死单元"技术实现焊缝的顺序生长来完成温度场的计算;选择平面应变模型,计算大厚度多道焊接的残余应力,最终得到钛合金厚板焊接过程温度场和应力场分布以及厚板焊接接头的三维应力的分布规律,并与钛合金厚板应力测试结果进行对比验证,两者很接近.该研究结果为钛合金厚板焊接接头残余应力的研究提供了参考.     

基于动态子结构的三维焊接残余应力变形数值模拟

焊接残余应力和变形三维弹塑性有限元模拟由于是高度非线性的热力耦合过程而计算非常耗时.为提高计算效率,采用动态子结构方法来计算焊接残余应力和变形.考虑焊接过程中只有焊缝和热影响区的小部分区域在焊接热源作用下呈现高度非线性,而其余区域受热源的影响小,将整个模型的三维弹塑性计算问题处理为窄小的焊缝和热影响区为局部非线性弹塑性区,其余大部分非焊接区域作弹性子结构的计算问题;且随焊接热源的移动,子结构不断变化.结果表明,动态子结构方法能显著提高计算效率,并能保证焊缝和热影响区的残余应力分布与全模型计算结果接近.     

DE-GMAW高速电弧焊工艺机理的研究

通过大量的工艺实验,找出了DE-GMAW双焊枪组合的匹配参数,测试了焊接电流波形,拍摄了熔滴过渡图像,并获得了无成型缺陷的焊缝照片.基于实验结果解释了高速焊接工艺的机理.建立了适用于DE-GMAW焊接工艺的有限元模型,并对该工艺条件下的温度场、应力-应变场进行了数值模拟.结果表明:计算出的DE-GMAW焊缝横断面形状尺寸与实验结果吻合良好;在通过焊丝的总电流相同时,DE-GMAW焊接时焊缝尺寸、热影响区宽度、应力、应变及变形均小于常规GMAW焊时的结果.这为DE-GMAW焊接工艺参数优化提供了基础数据.     

异厚度铝钢电弧辅助激光对接熔钎焊温度场和应力应变场数值模拟

以厚度2 mm的 5A06铝合金板和1 mm热镀锌ST04Z钢对接熔钎焊试验为研究对象. 采用ANSYS有限元软件，选用高斯函数分布的热源模型模拟TIG电弧和三维锥体热源模型模拟激光的不重合组合热源. 基于所建立的不重合组合热源模型对温度场和应力场进行耦合分析，得到焊接过程中的温度场和应力应变分布. 结果表明,铝钢异厚度熔钎焊在焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应力，钢一侧远离焊缝产生较大的压应力，变形较大；铝合金一侧远离焊缝产生相应的变形，压应力相对较小，温度场、残余应力模拟结果与试验结果吻合较好，证明所建组合热源模型正确.     

基于Sysweld的焊接接头热源模型二次开发

焊接接头的结构形式和尺寸精度直接影响热源模型计算结果的准确性,工程实际应用的焊接接头形式多样、结构复杂, Sysweld内置的焊接接头远不能满足实际需求。基于Hypermesh, Sysweld软件平台开发了大坡口角焊缝和双侧多层角焊缝热源模型,首先利用Hypermesh建立有限元模型生成可执行的内嵌文件,利用Sysweld的HSF工具反复调整双椭球热源高斯参数,并将校核结果与试验结果进行比对,得到了应用于工程实际的自定义焊接接头热源模型。文中丰富了Sysweld软件的热源模型数据库,为不同接头形式热源模型的开发提供了技术支持。     

基于有限元的多次补焊焊接残余应力的数值模拟

应用有限元方法建立了补焊温度场的数学模型，并对温度场进行一定的简化。焊接应力分为热应力和组织应力两部分，分别给出了热应力和组织应力的计算模型。利用ANSYS有限元软件以BHW35钢补焊为例进行数值模拟，给出了有限元的实现过程。并分别给出了一次、三次、五次补焊的模拟结果。并将计算模拟值与实际测量数值比较。计算结果和实际测量数值基本吻合。并根据应力分布情况，得到一些结论，焊缝中心的残余应力变化不大；热影响区存在较高的残余拉应力，且同一位置，随修复次数的增加，应力值逐渐提高；残余拉应力区宽度变大。文中还给出了焊后热处理后的应力大小情况，以证明焊后热处理能改善应力分布。