大厚度钛合金电子束焊接热作用有限元分析

论文摘要

利用ANSYS软件对大厚度钛合金电子束焊接的热作用结果进行有限元分析。首先建立了20mm厚TA15钛合金电子束平板焊接的三维有限元模型,利用由高斯面热源和旋转抛物体热源复合而成的热源模型对下焦点和表面聚焦电子束焊接过程的温度场和应力场进行数值模拟。温度场的模拟结果表明,表面聚焦焊接时熔池的峰值温度为3200℃,而下焦点焊接时为2700℃,且表面的整体温度要比下焦点焊接时的高,但是工件内部的温度整体要比下焦点焊接时的低。模拟出的热循环曲线与热电偶测量结果吻合较好,模拟出的熔池形貌与实际获得的焊缝形貌吻合良好。采用热-弹塑性有限元理论,在温度场分析的基础上,利用间接耦合的方法计算了在真空电子束焊接过程中TA15钛合金热应力的演变过程和残余应力的分布状态。计算分析表明,随着电子束的移动,焊缝区的应力演变经历了从压应力状态向拉应力状态演变的过程。两种聚焦方式的电子束焊接得到的近缝区残余应力主要表现为拉应力,下焦点焊接得到的残余应力值与表面聚焦时的相差不大,横向和纵向残余应力遵循沿着焊缝中心向外残余应力由拉应力不断减小,最后为压应力状态。采用小孔释放法分别测量两种聚焦方式的电子束焊接试样的横向和纵向残余应力,对比模拟结果和实测结果发现模拟出的残余应力分布趋势与实际比较吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究目的和意义
• 1.2 电子束焊接热过程的数值模拟研究现状
• 1.2.1 电子束焊接温度场数值模拟的研究现状
• 1.2.2 电子束焊接应力场数值模拟的研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 试验材料、设备及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验与分析方法
• 2.3.1 焊前准备
• 2.3.2 试验条件
• 2.3.3 试验过程
• 2.3.4 分析方法
• 第3章 大厚度钛合金电子束焊接温度场有限元分析
• 3.1 焊接温度场数值模拟过程
• 3.1.1 电子束焊接温度场控制方程
• 3.1.2 初始条件和边界条件
• 3.2 几何模型的建立和网格划分
• 3.3 焊接热源模型的建立
• 3.4 材料参数处理
• 3.5 温度场模拟结果及分析
• 3.5.1 下焦点焊接时温度场数值模拟结果
• 3.5.2 表面聚焦焊接时温度场数值模拟结果
• 3.5.3 下焦点焊接和表面聚焦焊接时温度场模拟结果的对比
• 3.6 电子束焊接温度场模拟结果验证
• 3.6.1 接头横截面形貌验证
• 3.6.2 焊接过程热循环曲线试验验证
• 3.7 本章小结
• 第4章 大厚度钛合金电子束焊接应力场有限元分析
• 4.1 焊接应力场数值模拟过程
• 4.1.1 热-弹塑性理论
• 4.2 应力场耦合分析过程
• 4.3 应力应变场数学模型的建立
• 4.3.1 材料力学性能参数的处理
• 4.3.2 边界条件和初始条件
• 4.4 应力场模拟计算及结果分析
• 4.4.1 焊接过程中的应力演变过程
• 4.4.2 电子束焊接残余应力场分析
• 4.5 电子束焊接残余应力的试验验证
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢