论文摘要
无缝线路是二十世纪铁路轨道结构方面的重要进步,它的诸多优点使其成为高速、重载铁路轨道结构的最优选择,颇得世界各国青睐。钢轨焊接是无缝线路建设过程的重要环节,它直接决定了焊接接头的质量,对铁路安全有重要影响。因此,研究钢轨焊接关键技术,优化设计和工艺参数,提高钢轨焊接质量有重要的现实意义。闪光焊是目前钢轨焊接的主要方法,由于焊接涉及电弧物理、传热、冶金和力学等,过程十分复杂,对焊接过程温度场和应力场的分析研究一直是提高焊接质量的重要基础。本文用有限元分析软件ANSYS对钢轨锁定闪光焊的温度场和应力场进行了动态模拟,分析了闪光阶段的温度场和顶锻阶段的应力场分布,并对顶锻推瘤后钢轨的冷却变形进行模拟分析。对钢轨闪光焊机机头机构组成进行了设计分析,并着重对颊板受力进行了理论分析。经实际验证,模拟结果与实测结果基本吻合,分析模型正确。本论文的完成,可对钢轨闪光焊机的结构尺寸、材料的确定及焊接工艺关键参数的选择提供有力的依据,使闪光焊机的设计从经验设计跃至科学设计。为进行钢轨闪光焊温度场模拟分析,本文建立了对称有限元模型,运用单元“生死”技术模拟闪光阶段的物质烧损,提出了闪光焊电热耦合过程的模拟方法。通过实际钢轨焊接试验,用红外电视图像测温法测得钢轨焊接时的温度场。两者对比结果表明:用此模型的有限元分析结果能较好的反映实际温度场,并在此基础上分析了不同夹具起始距离L0对焊接温度场的影响。虽然焊接温度场和应力场是双向耦合的,但由于应力场对温度场的影响非常小,再加计算条件限制,本文只考虑温度场对应力场的影响。用ANSYS软件的热—结构耦合功能,利用间接法,先计算温度场,温度场模拟好之后保存其结果,再进行焊接应力和变形的计算。论文在温度场分析的基础上通过热力耦合的方法对钢轨闪光焊顶锻阶段的应力应变进行了模拟分析,并在最大顶锻量和最小顶锻时间条件下分析了焊瘤区域的应变,确定了去除焊瘤的合理留量,并为闪光焊焊机液压系统设计提供指导。
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摘要ABSTRACT第1章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 课题来源1.1.2 课题研究意义1.2 钢轨焊接概述1.2.1 钢轨焊接方法1.2.2 钢轨焊接国内外现状1.2.3 闪光对焊基本原理及工艺过程1.2.4 闪光焊系统组成及特点1.3 焊接有限元分析的发展概况1.3.1 焊接应力场有限元分析的发展概况1.3.2 焊接温度场有限元分析的发展概况1.3.3 ANSYS 在闪光焊接有限元分析中的应用1.4 研究的主要内容及论文各章节安排1.4.1 研究的主要内容1.4.2 本文各章节的安排第2章 钢轨闪光焊机机头结构及受力分析2.1 引言2.2 焊机机头的结构设计和工作原理2.3 焊机机头结构有限元分析2.3.1 焊机夹紧机构的确定2.3.2 颊板的结构设计与几何模型2.3.3 载荷工况与边界条件处理2.3.4 有限元模型及网格划分2.3.5 有限元分析结果2.4 本章小结第3章 钢轨闪光焊焊接过程分析3.1 引言3.2 钢轨闪光焊电热力行为的数值计算过程3.3 材料特性参数3.4 确定单元类型3.5 本章小结第4章 钢轨闪光焊三维温度场有限元模拟4.1 引言4.2 电热耦合有限元模型的基本方程4.3 温度场分析的几何模型、网格划分与边界条件4.4 闪光阶段温度场的求解4.4.1 设定载荷步选项4.4.2 设定瞬态积分参数和使用线性搜索4.4.3 生死单元技术4.5 三维温度场的后处理及结果试验验证分析4.5.1 ANSYS 后处理器4.5.2 钢轨闪光焊三维温度场模拟结果4.6 闪光焊实焊温度场测试4.6.1 闪光焊温度场检测实验4.6.2 温度场测试实验结果分析4.7 本章小结第5章 钢轨闪光焊三维应力场有限元模拟5.1 引言5.2 热力耦合有限元模型的基本方程5.3 ANSYS 中的热力耦合分析5.4 顶锻阶段的几何建模、网格划分与边界条件5.5 顶锻阶段三维应力场的求解5.5.1 大应变效应5.5.2 牛顿－拉普森选项5.5.3 时间步长预测－纠正选项5.6 顶锻阶段三维应力场的后处理及结果分析5.7 推瘤后冷却阶段应力场分析的几何模型、网格划分与边界条件5.8 推瘤后冷却阶段应力场分析的求解5.9 推瘤后冷却阶段应力场的后处理及结果分析5.10 本章小结第6章 结论与展望6.1 全文总结6.2 研究展望参考文献致谢攻读硕士学位期间发表的学术论文
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