论文题目: 箱型结构焊接变形预测、控制及应用
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 崔晓芳
导师: 兆文忠
关键词: 箱型结构,焊接变形,热机耦合,焊接顺序优化,遗传算法
文献来源: 大连交通大学
发表年度: 2005
论文摘要: 箱型焊接结构梁广泛应用于各种工程结构领域。像其它焊接结构一样,在焊接过程中由于急剧地非平衡加热及冷却,箱型结构梁构件将不可避免地产生不可忽视的焊接残余变形。焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。而焊后变形矫正,既不经济又严重伤害其工作可靠性,因此,科学地、定量地预测焊接变形规律,并在此基础上给予最优控制,这不仅对箱型焊接构件自身,而且对其它焊接构件的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定具有重要的理论价值与工程意义。 在对国内外关于焊接变形研究现状综述的基础上,采用由浅入深的研究策略,以由箱型梁结构构成的高速电力机车转向架构架及组件为应用对象,分别从解析理论上、数值模拟上、实测验证上、优化焊接顺序实现上,进行了一系列深入研究,归纳起来,本文的研究工作及研究成果主要有: 首先,在详细地分析了经典的焊缝收缩力计算法之后,将其理解为有限元模型中的一种加载模式,从而将焊缝收缩力法与有限元法有机结合,形成了一个从整体上快速估算焊接变形的简便方法。基于这种方法,以SS7E型电力机车转向架构架箱型变截面侧梁为应用对象,创建了有限元求解模型。为验证这种方法的适用性,用实测手段获得了焊后变形实测数据,并将其与这一方法的计算结果进行比较,发现二者变形规律吻合得很好。接着,将上述研究成果推广用于结构更为复杂,焊缝更多,结构可靠性要求更高的高速动力车转向架构架上。在这一阶段上,分别研究了由箱型梁构成的构架及各合件,最后,获得了构架总体焊后变形规律及影响焊接变形量的主要工艺因素。 由于基于焊缝收缩力的有限元法不能解决每条焊缝的独立影响问题,又以热弹塑性理论为基础,提出了另一个新的技术路线,即基于热—机耦合算法创建热弹塑性仿真模型。这既是当今该领域的一个热点,也是一个研究难点。为了避免计算仿真模型过于庞大、计算效率低下等问题,在创建该类数值仿真模型中,抓其主要矛盾,采用了一系列新的对策,例如:单元死活对策、网格自适应对策、分段热源对策、并行计算对策等,从而使数值仿真领域中最复杂的焊接过程仿真得以实践于真正的工程问题。 为将本文研究工程适用化,针对建模难点,提出了一系列建模对策,将力学边界条件,热边界条件,初始边界条件,几何边界及材料特性等予以规范。在模型规范之后,仍以高速动力车构架箱型侧梁为应用对象,分别进行了焊接顺序、焊接热输入量、拘束条件以及内部结构的研究,获得了焊接顺序、热输入量、拘束条件以及内部结构等对焊接变形的影响规律,为箱型类结构焊接变形控制提供了极其重要的数值依据。 上述工作,尤其是基于热弹塑性的仿真模型的提出及技术实现,为焊接顺序优化创造了实现的必要条件。考虑到焊接顺序优化的特殊性,难以创建基于敏度分析或求导数的优化模型,因此,本文采用了不求导数的遗传算法。提出将热—机耦合非线性数值仿真技术嵌入到遗传算法中,考虑焊接全过程的焊接顺序优化问题终于得到了明显地进展。一个具有代表性的箱型梁焊接顺序优化证明了这一技术路线具有重要的工程应用前景。
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1．1 选题背景及意义
1．2 焊接数值模拟技术的发展及现状
1．3 焊接变形数值模拟的难点
1．4 焊接变形数值模拟涉及的关键技术
1．4．1 热源的处理
1．4．2 并行计算技术
1．4．3 材料高温性能参数的规范
1．4．4 动态可逆自适应网格生成技术
1．5 预测焊接变形的方法
1．5．1 解析法
1．5．2 焊缝收缩力法
1．5．3 线弹性体积收缩法
1．5．4 固有应变法
1．5．5 热弹塑性有限元法
1．6 焊接变形的影响因素及其控制措施
1．6．1 焊接变形的影响因素
1．6．2 焊接变形的控制措施
1．7 本文研究的内容
第二章 基于焊缝收缩力法的箱型结构焊接变形预测
2．1 焊缝收缩力
2．2 应用1: SS_7E型电力机车转向架构架侧梁焊接变形预测及控制
2．2．1 有限元模型的建立
2．2．2 数值计算结果与实测值的对比
2．2．3 侧梁焊接变形控制方案对比
2．3 应用2:高速动力车转向架构架焊接变形预测
2．3．1 有限元模型的建立
2．3．2 计算结果分析
本章小结
第三章 基于热弹塑性法的箱型侧梁有限元模型的建立
3．1 非线性问题的有限单元法
3．1．1 热-机耦合有限单元法
3．1．2 非线性迭代的收敛判据
3．1．3 设置判定迭代收敛的控制参数
3．2 箱型侧梁有限元模型的建立
3．3 边界条件的确定
3．3．1 力学边界
3．3．2 热边界
3．3．3 初始边界
3．3．4 材料特性
3．3．5 几何边界
3．4 计算条件的设定
本章小结
第四章 焊接顺序对箱型侧梁焊接变形的影响
4．1 内部焊缝焊接顺序对箱型侧梁焊接变形的影响
4．1．1 方案的确定
4．1．2 计算结果分析
4．2 主焊缝焊接顺序对箱型侧梁焊接变形的影响
4．2．1 方案的确定
4．2．2 计算结果分析
本章小结
第五章 焊接热输入量对箱型侧梁焊接变形的影响
5．1 焊接热输入量对箱型侧梁 Z向焊接变形的影响
5．2 焊接热输入量对箱型侧梁 Z向角变形的影响
5．3 焊接热输入量对箱型侧梁 Y向焊接变形的影响
5．4 计算结果分析
本章小结
第六章 拘束条件对箱型侧梁焊接变形的影响
6．1 约束度系数
6．2 不同约束度系数对箱型侧梁焊接变形的影响
6．2．1 约束度系数 C=0时的影响
6．2．2 约束度系数 C=2时的影响
6．2．3 约束度系数 C=4时的影响
6．2．4 约束度系数 C=40时的影响
6．3 计算结果分析
本章小结
第七章 箱型侧梁内部结构对焊接变形的影响
7．1 目标函数的确定
7．2 内部结构对箱型侧梁焊接变形的影响
7．2．1 方案的确定
7．2．2 计算结果分析
7．3 板厚对侧梁焊接变形的影响
7．3．1 方案的确定
7．3．2 计算结果分析
本章小结
第八章 基于遗传算法的箱型结构焊接顺序优化
8．1 遗传算法简介
8．1．1 遗传算法概要
8．1．2 遗传算法的运算过程
8．1．3 基本遗传算法的构成要素
8．2 箱型结构焊接顺序的优化
8．2．1 箱型结构的确定
8．2．2 优化方案的确定
8．3 优化程序系统设计
8．3．1 主程序设计
8．3．2 子程序设计
8．4 优化结果及分析
8．5 优化结果试验验证
本章小结
结论与展望
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文及科研成果
致谢
发布时间: 2005-10-26
参考文献
- [1].薄板结构焊接变形的预测与控制[D]. 侯志刚.华中科技大学2005
- [2].外加电磁场控制焊接变形及冷裂纹研究[D]. 徐达.哈尔滨工业大学2011
- [3].双向预置应力控制铝合金薄板焊接变形与热裂纹研究[D]. 周广涛.哈尔滨工业大学2009
- [4].大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用[D]. 蔡志鹏.清华大学2001
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- [7].复杂铝合金结构焊接应力与变形行为研究[D]. 曾志.天津大学2009
- [8].轨道客车用SUS301L奥氏体不锈钢激光叠焊技术研究[D]. 刘佳.长春理工大学2012
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