毕业论文范文——焊接变形与基于SYSWELD的焊接力学数值模拟

西安航空职业学院毕业论文焊接变形与基于SYSWELD的焊接力学数值模拟姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：汽轮机焊接一直受到焊接残余应力和变形所导致的产品成本、生产效率低问题的困扰，研究焊接残余应力和变形具有重要的工程实际意义。SYSWELD有限元软件完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合焊接计算，既考虑晶相转变又考虑了同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。本文首先对空心叶片的结构特点和焊接变形原因进行分析，然后利用有限元软件SYSWELD对核电空心叶片的焊接进行了实时三维数值模拟，得到了焊接温度场、焊接残余应力分布及变形，并对模拟计算结果进行了定性分析，为核电空心叶片的七段焊接方法提供理论依据。关键词：焊接变形、汽轮机、数值模拟、SYSWELD0 引言 焊接是一个涉及诸多学科的复杂的物理-化学冶金过程，描述焊接过程的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据了解和控制焊接过程，既不切实际，而且成本昂贵和效率低。随着计算机技术的发展，计算机数值模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有利条件。焊接热过程的准确计算和测量是进行焊接冶金分析、焊接应力应变分析和对焊接过程进行控制的前提。人们逐渐对于发生于熔池内部，不能通过试验工具检测的一些现象有了较为深刻的认识。SYSWELD软件完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，既考虑晶相转变又考虑了同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。在具体计算中，分两步进行，首先实现温度和晶相组织的计算，然后进行机械力的计算。在机械力计算中，充分考虑了第一步计算的结果，如残余应力和应变的影响。本文利用用SYSWELD软件对核电空心叶片焊接过程进行了模拟，并对计算结果进行分析说明。1 空心叶片焊接物理模型1.1 空心叶片结构核电空心叶片由四部分组成，其结构如图1所示。进汽边、内弧、背弧和出汽边通过焊接形成空心叶片。钢板规格：内弧、背弧均为4.2mm钢板，出汽边部分为8.4mm钢板。材料为X2CrNi12。 图1 空心叶片的组成及效果图 图2空心叶片的焊接图1.2焊接工艺采用分段退焊、富氩药芯焊丝气体保护焊工艺进行焊接，如图2所示。2焊接变形2.1焊接变形原因 空心叶片为内部空心结构，且单条焊缝长度达1.4m。焊接过程是叶片局部区域加热产生不均匀的温度场，导致不均匀的膨胀和收缩，从而使叶片产生变形。2.2 叶片焊接变形分析 纵向收缩变形：叶片焊后在平行焊缝的方向上尺寸缩短引起变形，焊缝纵向收缩量与焊接线能量成正比，与工件横截面面积成反比，随焊缝长度的增加而增大。 横向收缩变形：叶片焊后在垂直焊缝的方向上尺寸缩短引起变形。 弯曲变形：由于焊缝的布置偏离叶片的形心轴，与焊缝线能量面积成正比，与焊缝偏离板条形轴的距离成正比，与叶片的截面惯性矩成反比，横向引起弯曲变形和焊缝到焊件形心的距离成正比。 角变形：焊后叶片的平面围绕焊缝产生的角位移。 波浪变形：焊后叶片程波浪形，由于薄板焊接引起的焊接变形，博板在承受压应力时，当压应力达到临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力。 扭转变形：叶片空心结构以及焊缝太长，而引起的焊接变形。3焊接数值模拟3.1数值计算流程数值计算流程如图3所示。图3数值计算流程图3.2焊接模拟模型3.2.1计算模型和材料特性叶片四条焊缝具有相互对称性，为了降低计算量，缩短计算时间，有限元模型可以取一般对称结构计算。采用实体单元划分网格，接近焊缝处温度梯度逐渐增加，网格划分相应加密如下图所示。图4实体网格界面核电空心叶片材料为X2CrNi12，通过SYSWELD软件的面板直接选择物理参数和力学参数如下图所示，且结合叶片的物理模型综合考虑计算精度、相变潜热影响。图5材料面板输入界面 3.2.2焊接热源模型在焊接时，热源是焊接过程中唯一的外加负荷，因此数值模拟时热传递模式的计算相当重要，其温度场计算结果是影响力学计算的重要因素；故计算流程中将以高温分布结果与材料熔点进行比较，以其熔化范围是否合适作为评判条件，若否，侧以修改热源公式的方式来改善，在得到合理的温度分布后才进入力学模式的计算。热源数学模型热源前半部数学模式：数值计算时以此双椭圆热源模型前半部的数学关系模拟焊件加热时的热量分布。热源后半部数学模式：数值计算时以此双椭圆热源模型前半部的数学关系模拟焊件冷却时的热量分布。3.2.3计算工况与增量控制参数设置 整过焊接过程分为四个计算工况，先后依次为，第一条焊缝分段施焊、冷却、第二条焊缝分段施焊、冷却至室温。第三条焊缝分段施焊、冷却、第四条焊缝分段施焊、冷却至室温。四条焊缝工况采用自适应时间增量步计算方案。为了兼顾计算效率和计算精度，划分温度区间并设置不同的增量控制准则。在相变温度附近，每个增量步始末温度变化容许值设置的相对较小，以更好的考虑相变潜热的影响。焊接是一个典型的瞬态高温过程，为了避免集中热源突然作用于系统时产生热振荡，在计算时采用集中质量矩阵和集中热源矩阵。同时激活大位移大应变塑性分析，来约束焊接变形。3.2.4焊接网格模型图6 焊接网格模型界面 图7 焊缝2D网格模型 图8 焊缝3D网格模型4 计算结果4.1 温度场结果分析叶片施焊过程中，随着热源的移动，焊缝单元逐步在模型中出现且为温度急剧上升。第二条焊缝焊接时，热源前方的等温色带变化较密集，热源后方的等温色带变化随着距离逐渐趋缓，说明热源前方温度梯度高于后方的温度梯度。第一条焊缝焊完后冷却一段时间，焊缝温度下降，然后进行第二条焊缝施焊模拟。第二次冷却过程中，焊缝最高温度急剧下降，等温色带逐渐散开。第二条焊缝越长，造成长焊缝中段最高温度场，如下图所示。图8 温度场分析图4.2应力分布由于不均匀温度场，造成两端为压应力、中间为拉应力，拉应力与压应力在整个纵向路径趋近于平衡。在焊道中间为拉应力，其值最大。在焊缝中点横截面处，发生了较明显的横向收缩变形和角变形。由于叶片焊缝很长，横纵向收缩变形很大。为了控制变形，必须调整热源，来控制温度场。图8应力分布图4.3 热源模型修正为控制空心叶片焊接变形，需要调整每道焊缝的热源模型，经过理论分析和模拟试验研究，叶片在中部加热引起纵向收缩变形和应力，非对称加热引起的变形和应力，冷却后产生的残余应力和变形分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常温后随远离焊缝依次是压应力、拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。因此对空心叶片实行七段倒退、分段冷却的焊接方式如图7所示。分段后焊缝中心的应力峰值降低到最小值如下图所示，有效的控制了叶片的焊接变形。图9 叶片七段焊 图10应力分布图5总结 本文介绍了空心叶片的结构特点，并并空心叶片的焊接变形进行了分析。 用非线性有限元分析软件SYSWELD对空心叶片的焊接进行了三维实时动态数值模拟，并介绍了模拟中涉及到得关键技术。 给出空心叶片每条焊缝两段焊接的温度场、应力场以及变形的分析说明。 将空心叶片焊接数值模拟结果作为空心叶片实际生产的定性参考，为空心叶片采用七段焊接方法提供了理论依据。参考文献1 黄国定. 怎样防止焊接应力与变形M. 机械工业出