毕业设计（论文）-三明治板横向焊接接头的设计.doc

沈阳理工大学学士学位论文摘 要金属三明治板是在上下两块金属面板之间放置支撑芯板，通过连接使之形成一个整体结构，具有减重、绝热、防火和抗冲击等诸多优点。三明治板在焊接成型的过程中，板与板之间的连接可以采用多种形式。不同的接头形式和不同的接头设计参数会对接头处应力集中的位置和大小产生影响，从而影响了其适用范围，因此设计出合理的接头形式和合适的接头参数显得十分重要。对各种焊接接头的形式以及适用性采用试验研究的方法则需要耗费大量的人力和物力。采用有限元模拟的研究方法可以有效地节约成本，提高效率。本课题通过应用Abaqus大型通用有限元分析软件，分别对三明治板的横向接头和纵向接头的单面焊结构以及L型接头和T型接头进行了焊接数值模拟。并且通过正交试验的方法优化整个模拟过程。从而得到最佳的焊接接头形式及参数。关键词：三明治板；有限元模拟；接头设计；正交试验AbstractCore panels is placed between the upper and lower to support metal sandwich plate to form a unitary structure with quite a number of advantages ,such as light weight , insulation, fire protection and impact resistance. In the process of welding metal sandwich plates ,many forms connection can be taken between the panels and panels welding . It will consume lots of time and material resources to study all forms of welded joints and the applicability of using experimental research methods . So finite element simulation research method can effectively reduce costs and improve the working efficiency.Different joint forms and different design parameters ,which has a impct on the location and size of the stress concentration,will influcence its suitable range application. Thus it is important to design a reasonable form and proper fitting parameters affecting the scope of its, and therefore design a reasonable form fitting and proper fitting parameters .In this paper, through the application of Abaqus finite element analysis software, the lateral side welding joints and structural sandwich panels longitudinal joints and L-joints and T-joints were simulated welding respectively,.we optimized the simulation of the entire process by the method of orthogonal test, in order to get the best form and parameters of welded joints.Key words:Sandwich board; Finite element simulation; connector design; orthogonal test目 录1 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 三明治板的国内外现状及发展趋势11.3 ABAQUS软件的应用和发展21.3.1ABAQUS的概述21.3.2ABAQUS的功能31.4正交试验方法的概述和应用41.4.1正交试验方法的概述41.4.2正交试验方法使用的要点61.5本课题的研究方案72 三明治板纵向接头设计82.1三明治板纵向接头的数值模拟82.1.1绘制正交表82.1.2建立模型92.1.3设置分析步102.1.4在模型上设立相互作用102.1.5在模型上施加边界条件和载荷112.1.6模型的网格的划分112.1.7创建分析和作业122.2三明治板纵向接头的模拟结果及分析132.2.1三明治板纵向接头的模拟结果132.2.2三明治板纵向接头的结果分析143 三明治板横向接头设计163.1三明治板横向接头的数值模拟163.1.1绘制正交表163.1.2建立模型173.1.3设置分析步193.1.4在模型上设立相互作用193.1.5在模型上施加边界条件和载荷193.1.6模型的网格的划分203.1.7创建分析和作业213.2三明治板纵向接头的模拟结果及分析223.2.1三明治板纵向接头的模拟结果223.2.2三明治板纵向接头的结果分析234 三明治板L型接头设计244.1三明治板L型接头搭接角钢时的数值模拟244.1.1绘制正交表244.1.2建立模型254.1.3设置分析步264.1.4在模型上设立相互作用264.1.5在模型上施加边界条件和载荷274.1.6模型的网格的划分274.1.7创建分析和作业284.2三明治板L型接头的模拟结果及分析294.2.1三明治板L型接头的模拟结果294.2.2三明治板L型接头的结果分析304.3三明治板L型创新接头的数值模拟314.3.1绘制正交表314.3.2建立模型324.3.3设置分析步334.3.4在模型上设立相互作用334.3.5在模型上施加边界条件和载荷344.3.6模型的网格的划分344.3.7创建分析和作业354.4三明治板L型创新接头的模拟结果及分析364.4.1三明治板L型创新接头的模拟结果364.4.2三明治板L型创新接头的结果分析375 三明治板T型接头的设计395.1三明治板T型接头对接方钢时的数值模拟395.1.1绘制正交表395.1.2建立模型405.1.3设置分析步415.1.4在模型上设立相互作用415.1.5在模型上施加边界条件和载荷415.1.6模型的网格的划分425.1.7创建分析和作业435.2三明治板T型接头的模拟结果及分析445.2.1三明治板T型接头的模拟结果445.2.2三明治板T型接头的结果分析456 结论46致 谢47参考文献48附录A49附录B53631 绪 论1.1 课题背景及意义为响应节能、环保的现代交通工具的设计要求，金属三明治结构件被广泛推广使用。焊接接头是三明治结构中的基本要素。对各种焊接接头的变形、损伤及破坏的实验研究要花费大量的人力物力。如采用有限元模拟加关键试验验证的研究方法可以有效地节约成本，提高效率 1 。由于三明治板在力学性能和节约材料上的优势，三明治板焊接接头在焊接机构中的应用也是十分的广泛的，如船舶、汽车等领域。然而，焊接是一复杂的物理化学过程，涉及了电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论和试验的方法,很难准确的解决生产实际问题，只能做定性的分析。但随着计算机软硬件技术的发展引发的虚拟制造技术的热潮，又给我们提供了新的分析方法，那就是数值模拟。数值模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，如航空航天、军工、能源、动力等领域。焊接数值模拟技术的出现,不仅为焊接生产朝“理论数值模拟生产”模式的发展创造了条件。促使了传统的经验的定性分析向科学的定量分析的转变。而且对优化工艺过程，提高产品质量和清除安全隐患起着日益重要，甚至不可替代的作用2。1.2 三明治板的国内外现状及发展趋势三明治结构材料由于其良好的力学性能（轻质，高强度比，岩比刚度等）和多功能性（散热、屏蔽、降噪等）而受到越来越多的重视，今年陆续有学者对三明治结构材料的等效性能参数预测和结构及多功能优化设计进行探索性研究，从1995年开始，美国国防高等研究署（DARPA）和海军研究局（ONR）共同资助哈佛大学。剑桥大学和麻省理工学院主持的有关超轻金属结构的大型项目，资助额度累计超过1500万美元，主要研究泡沫金属的制备，性能及应用。在此基础上，近年来又对点阵材料（lattice material）的研发提供强力资助。此外，美国能源部依托橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Lab）在2000年启动了Freedom Car项目，定下了2006年和2012年分别达到自重减轻40%和60%的目标，而实现该目标的主要手段就是开发轻质结构材料。德国在1999年也启动了一个在政府和汽车制造商支持下由几十所大学，研究所参加的有关泡沫金属材料的大型研究项目，侧重于这些材料在汽车工业中的应用前景。我国在这方面起步比较晚，但重视度更高。已将其列入“973计划”国家重点基础研究发展规划，启动“超轻多孔材料和结构创新构型的多功能化基础研究”项目，整合国内知名高校和研究院所，旨在实现材料性能和试验性能一体化设计；还有由程耿东院士负责的国家自然科学基金重点项目“超轻质结构设计理论和方法的研究。随着这些课题的进展相信我国在超轻质结构材料的应用上将呈现出崭新的局面3。三明治结构具有比强度高、抗冲击性能好、防腐、隔热、隔声和防辐射等优良性能，在船舶结构制造中有着广阔的应用前景。I型三明治结构因其横向和纵向都具有较佳的比刚度，且容易制造，所以更适用于船舶结构。研究表明，I型金属夹层结构可使某船体结构的总重量降低34%，制造成本降低50%。因制造条件限制，工厂里生产的三明治板宽度通常为5003000mm，长度为100010000mm，实际应用中，需将这些小尺寸的三明治板连接成大尺寸的结构件。连接接头形式的选取是三明治结构在船舶结构制造中的关键问题之一，接头形式不仅影响船体结构的组装工时，也在一定程度上影响夹层结构的强度和抗疲劳等力学性能。Pyszko建立一种典型连接构件的二维参数化有限元模型，分析其在拉压载荷与弯曲载荷联合作用下极限承载能力随主要设计参数的变化规律，并得出最优设计方案。Niklas建立三明治结构平板外接和内嵌方框两种接头的有限元模型，研究了其在拉压载荷作用下，最大von Mises 应力与名义应力的比值随主要设计参数的变化规律，得出两种连接形式的最优设计方案，并对比分析了两种接头形式的优劣。王虎等进行了金属三明治连接接头的理论研究，他们应用有限元分析软件ANSYS，提出采用壳体连接技术和子模型法，对I型金属三明治结构的两种典型连接接头进行强度了分析。目前，国内外对三明治结构的研究主要集中在理论分析，实验研究，多功能特性研究及其优化设计进展等方面。1.3ABAQUS软件的应用和发展1.3.1ABAQUS的概述 ABAQUS是国际著名的CAE软件，它以其强大的非线性分析功能以及解决复杂和深入的科学问题的能力赢得广泛称誉。ABAQUS软件已被全球工业界广泛接受，并拥有世界最大的非线性力学用户群。ABAQUS已成为国际上最先进的大型通用非线性有限元分析软件。ABAQUS软件，除普通工业用户外，也在以高等院校、科研院所等为代表的高端用户中得到广泛。研究水平的提高引发了用户对高水平分析工具需求的加强，作为满足这种高端需求的有力工具，ABAQUS软件在各行业用户群中所占据的地位也越来越突出。ABAQUS是一个推崇技术的公司，它始终走在结构力学研究和软件化领域的前沿，它良好的品质和服务得到业界的广泛认可。 ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。1.3.2ABAQUS的功能（1）静态应力/位移分析：包括线性，材料和几何非线性，以及结构断裂分析等（2）动态分析粘弹性/粘塑性响应分析：粘塑性材料结构的响应分析（3）热传导分析：传导，辐射和对流的瞬态或稳态分析（4）质量扩散分析：静水压力造成的质量扩散和渗流分析等（5）耦合分析：热/力耦合，热/电耦合，压/电耦合，流/力耦合，声/力耦合等（6）非线性动态应力/位移分析：可以模拟各种随时间变化的大位移、接触分析等（7）瞬态温度/位移耦合分析：解决力学和热响应及其耦合问题（8）准静态分析：应用显式积分方法求解静态和冲压等准静态问题（9）退火成型过程分析：可以对材料退火热处理过程进行模拟（10）海洋工程结构分析：对海洋工程的特殊载荷如流载荷、浮力、惯性力等进行模拟对海洋工程的特殊结构如锚链、管道、电缆等进行模拟对海洋工程的特殊的连接，如土壤/管柱连接、锚链/海床摩擦、管道/管道相对滑动等进行模拟（11）水下冲击分析：(12)对冲击载荷作用下的水下结构进行分析(13)柔体多体动力学分析：对机构的运动情况进行分析，并和有限元功能结合进行结构和机械的耦合分析，并可以考虑机构运动中的接触和摩擦 (14)疲劳分析：根据结构和材料的受载情况统计进行生存力分析和疲劳寿命预估(15)设计灵敏度分析：对结构参数进行灵敏度分析并据此进行结构的优化设计软件除具有上述常规和特殊的分析功能外，在材料模型，单元，载荷、约束及连接等方面也功能强大并各具特点：(1)材料模型：定义了多种材料本构关系及失效准则模型，包括：弹性：线弹性，可以定义材料的模量、泊松比等弹性特性(2)正交各向异性，具有多种典型失效理论，用于复合材料结构分析(3)多孔结构弹性，用于模拟土壤和可挤压泡沫的弹性行为亚弹性，可以考虑应变对模量的影响超弹性，可以模拟橡胶类材料的大应变影响粘弹性，时域和频域的粘弹性材料模型1.4正交试验方法的概述和应用1.4.1正交试验方法的概述正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格，称为正交表。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(3)3正交表安排实验，只需作9次，按L18(3)7正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。我们知道如果有很多的因素变化制约着一个事件的变化，那么为了弄清楚各因素对实验结果的重要性，必须通过做实验验证(仿真也可以说是实验，只不过试验设备是计算机)，如果因素很多，而且每种因素又有多种变化(专业称法是：水平)，那么实验量会非常的大，显然是不可能每一个实验都做的。正交试验法就是一种能够大幅度减少试验次数而且并不会降低试验可行度的方法。首先需要选择一张和你的实验因素水平相对应的正交表，已经有数学家制好了很多相应的表，你只需找到对应你需要的就可以了。所谓正交表，也就是一套经过周密计算得出的现成的实验方案，他告诉你每次实验时，用那几个水平互相匹配进行实验，这套方案的总实验次数是远小于每种情况都考虑后的实验次数的。比如3水平4因素表就只有9行，远小于遍历试验的81次；我们同理可推算出如果因素水平越多，试验的精简程度会越高。建立好实验表后，根据表格做实验，然后就是数据处理了。由于试验次数大大减少，使得试验数据处理非常重要。首先可以从所有的实验数据中找到最优的一个数据，当然，这个数据肯定不是最佳匹配数据，但是肯定是最接近最佳的了。接下来将各个因素当中同水平的实验值加和(注:正交表的一个特点就是每个水平在整个实验中出现的次数是相同的)，就得到了各个水平的实验结果表，从这个表当中又可以得到一组最优的因素，通过比较前一个因素，可以获得因素变化的趋势，指导更进一步的试验。各个因素中不同水平试验值之间也可以进行如极差、方差等计算，可以获知这个因素的敏感度，等等等等，还有很多处理数据的方法。然后再根据统计数据，确定下一步的试验，这次实验的范围就很小了，目的就是确定最终的最优值。 除了有一般试验设计所具有的意义之外，正交设计还具有如下较为特殊的意义：其一，对因素的个数NF没有严格的限制，NF1；其二，因素之间有、无交互作用均可利用此设计；其三，可通过正交表进行综合比较，得出初步结论，也可通过方差分析得出具体结论，并可得出最优的生产条件；其四，根据正交表和试验结果可以估计出任何一种水平组合下试验结果的理论值；其五，利用正交表从多种水平组合中一下挑出具有代表性的试验点进行试验，不仅比全面试验大大减少了试验次数，而且通过综合分析，可以把好的试验点（即使不包括在正交表中）找出来；其六，利用正交表的试验，可以把实验室的小规模试验结果原样拿到现场应用，即使其他因素改变，因素效应也能保持一贯；即使把规模条件改变，其效应也能再现。 正交实验法在西方发达国家已经得到广泛的应用，对促进经济的发展起到了很好的作用。在我国，正交实验法的理论研究工作已有了很大的进展，在工农业生产中也正在被广泛推广和应用，使这种科学的方法能够为经济发展服务。1.4.2正交试验方法使用的要点 （1） 关于挑因素影响试验结果的每种原因或要素，称为因素.凡是对试验结果可能有较大影响的因素1个也不要漏掉；一般来说，正交表是安排多因素试验的得力工具，不怕因素多；有时增加1、2个因素，并不增加试验次数。故一般倾向于多考察些因素，除了事先能肯定作用很小的因素和交互作用不安排外，凡是可能起作用或情炕明或意见有分歧的因素都值得考察.另外，必要时将区组因素加以考虑，可以提高试验的精度。（2）关于选水平对质量因素，应选入的水平通常是早就定下来的，如要比较的品种有3种，该因素（即品种）的水平数只能取3；对数量因素，选取水平数的灵活性就大了，如温度、反应时间等，通常取2或3水平，只是在有特殊要求的场合，才考虑取4以上的水平。数量因素的水迄度取得过窄，结果可能得不到任何有用的信息；过宽，结果会出现危险或试验无法进行下去。最好结合专业知识或通过预试验，对数量因素的水平变动范围有一个初步了解，只要认为在技术上是可行的，一开始就应尽可能取得宽一些.随着试验反复进行和技术情报的积累，再把水平的幅度逐渐缩小。（3）关于重复试验和重复取样重复试验（各此试验的样品不完全相同）和重复取样（各此试验的样品完全相同）在概念上和数据处理时都是有区别的，使用时须慎重。除了上面提到的场合下要进行重复试验（或取样）外，当用动物作为受试对象时，也应考虑进行重复试验，这是由于动物的个体差异很大，通过重复试验，可使误差的估计更精确，使试验结果更可靠。误差的离均差平和及自由度的计算方法：若属重复试验，当表中有空白列时，则由全部空白列和重复试验2部分组成；当表中无空白列时，则仅由重复试验一部分组成；若属重复取样，当表中有空白列时，则须用由重复取样产生的究偏差均方作分母，用由空白列产生的整体试验偏差作分子构造F统计量，进行F检验，差别不显著时，可将2部分偏差的离差平和及自由度分别合并求得误差均方的估计值；若差别显著，则不能合并，只用空白列产生的偏差作为误差的估计值；当表中无空白列时，只能用由重复取样产生的偏差作为误差的近似估计值。如果检验的结果有一半左右的因素或交互作用不显著，可认为这种检验还是合理的，因它能区分矛盾的主次。41.5本课题的研究方案 本课题的研究方向是三明治板与三明治板之间各种接头的连接。接头形式有横向接头、纵向接头、L型接头和T型接头，如图1.1所示。以L型接头和T型接头的创新设计为侧重点，通过ABAQUS对设计的几种接头形式进行有限元分析，并且用正交试验方法对分析过程进行优化，从而得到所需的最优焊接接头形式和参数。图1.1 三明治板的接头形式 首先进行的是纵向接头和横向接头的设计，本方案采用的是单面焊的接头形式，从而达到方便作业的目的。根据接头形式，首先要先确定影响接头性能的因素有几组，并且合理的选择所需要的水平，列出适合的正交表。然后再通过ABAQUS软件对得出的几组数据进行有限元模拟，将得到的数据用正交试验法进行处理，从而得到焊接接头性能最好时的最优组数据。 其次是对L 型接头和T型接头的设计。本方案的L 型接头的设计采用了两种结构，首先是从实用角度出发，设计了一种搭接角钢的接头形式；然后又设计了一种理论上的接头形式，通过有限元模拟对其进行分析，验证其实用性。T型接头选用的是方钢，考虑到成本与操作的问题，T型接头选用的则是方钢。2三明治板纵向接头设计三明治板结构尺寸的参数见表2.1。表2.1三明治板结构尺寸参数（mm）盖板厚度芯板厚度芯板间距芯板高度三明治结构截面积尺寸23120117.8563.512.1三明治板纵向接头的数值模拟 三明治板纵向接头单面焊时的结构如图2.1所示。该接头的参数有参数有三明治板盖板的外伸长度d，接头的长度d1，接头的外伸长度d2以及接头的厚度t。图2.1三明治板纵向接头单面焊结构 2.1.1绘制正交表根据所设计的接头结构，最终确定的可变参数有三明治板盖板的外伸长度d，接头的长度d1，接头的外伸长度d2以及接头的厚度t，接头与三明治板的搭接长度d3=20mm。根据可变参数的数量可以确定该接头的因素为4，水平可以选择为3，绘制出正交表，如表2.2所示：表2.2正交试验试验方案因素A d/mmBd1/mmCd2/mmDt/mm160120304260140352360160403470120352570140403670160304780120402880140303980160354根据所得正交表，即可对相应组别的数据进行有限元模拟。2.1.2建立模型根据所给条件，该纵向接头的模型设计为2维即可。以第三组试验为例，d=60mm，d1=160mm，d2=40mm，t=3mm。根据以上数据，运行ABAQUS后，首先需要画出2维草图，绘制出的草图如图2.2所示：图2.2草图草图完成后，在“属性”模块创建材料并对部件赋予属性。该方案所选材料均为Q345，考虑到方案研究的是静力下的受力变形，只需要给材料赋予弹性和塑性即可。弹性参数杨氏模量大小为200GPa，泊松比为0.3。在塑性应变为0时屈服强度为345MPa，塑性应变为10时屈服强度为630MPa。材料属性创建好后需要为部件创建截面，该方案部件截面应该选择“实体、均质”，平面应力/应变厚度为1。再对部件指派上述截面即可。为部件赋予完属性后就可以在“装配”模块对部件进行实例化，从而进行下一步操作。2.1.3设置分析步 现在已经创建了模型，可以进入到“分析步”模块来设置分析过程。在本模拟中，我们感兴趣的是三明治的静态响应。在ABAQUS中有两类分析步：一般分析步，可以用来分析线性或非线性响应；线性设动步，只能用来分析线性问题。在ABAQUS中只能使用一般分析步。在本模拟中，可以定义一个静态线性摄动步。创建分析步时我们需要要选定“静力、通用”，最大增量步数为100，增量步大小为0.1即可。2.1.4在模型上设立相互作用相互作用的定义的位置应该是相互接触的地方及相互接触的相邻的位置，因为在构件受力时，接触的地方在力的作用下会相互挤压，而附近的区域由于变形的影响位移也会产生移动，该部件的相互作用位置如图2.3所示。为防止上下两面挤压变形，需要对其设置表面与表面接触的相互作用。图2.3相互作用施加的位置2.1.5在模型上施加边界条件和载荷施加的条件，例如边界条件和载荷，是与分析步相关的，即用户必须指定边界条件和载荷在哪个或哪些分析步中起作用。现在，已经定义了分析中的步骤，可以应用“载荷”模块定义施加的条件。因为实际情况下三明治板下端是与地面接触的，而焊接接头的位置是对称固定的。为了满足这些条件，就需要为部件设立边界条件。本方案研究的是静力下的有限元模拟，所以只在部件的上表面施加了一个均布载荷，其大小为3米水深的压力29400Pa。边界条件与载荷施加后的情况如图2.4所示：图2.4边界条件与载荷施加情况2.1.6模型的网格的划分网格在ABAQUS中至关重要，只有划分好网格才能进行有限元模拟，划分出好的网格，能更直观的表现出模拟结果。应用“网络”模块可以生成有限元网络。用户可以选择ABAQUS/CAE使用的创建网络、单元形状和单元类型的网络生成技术。尽管ABAQUS/CAE具有一系列的各种网路生成技术，但是，一位区域的网络的生成技术不能改变。默认使用在模型中的网络生成技术由模型的颜色标识，并在进入“网格”模块时进行显示。如果ABAQUS/CAE显示为橙黄色，则表示没有用户的帮助就不能进行网路划分该部件划出的网格如图2.5所示： 图2.5网格的划分2.1.7创建分析和作业完成基本步骤后，下一步需要创建分析和作业。进入“作业”模块，首先需要创建作业，默认所有设置即可，也可以根据电脑性能调节物理内存使用率。进入作业管理器，即可以提交分析，分析过程中可以通过作业管理器对运行过程进行监控，直到得出结果。作业完成后即可观看作业的结果如图2.6：S,mises=1.68748107Pa图2.6模拟结果云图通过以上步骤即可得出第三组试验d=60mm，d1=160mm，d2=40mm，t=3mm时的有限元模拟结果。同时，在ABAQUS上即可得到各个部分应力值的大小，从而选择出接头处应力值最大时的应力值。做出正交表里的九组数据后即可通过正交试验法求出最优组的纵向接头。由于本方案设计的是焊接接头的性能，而实际上整个部件最大应力点处于三明治板芯板与上盖板的接合处，为了满足方案的要求，故所选取的最大应力值的点应该位于焊接接头附近。2.2三明治板纵向接头的模拟结果及分析2.2.1三明治板纵向接头的模拟结果根据正交表中九组试验所得到的结果用正交试验法进行计算分析后的到的结果如表2.3和表2.4所示：表2.3正交试验结果 因素Ad/mmBd1/mmCd2/mmDt/mm应力最大点应力值/Pa1601203047.18841062601403523.394171073601604031.687481074701203523.227571075701404031.646131076701603041.072541077801204022.953771078801403032.002081079801603541.13051107表2.4正交试验结果分析 因素Ad/mmBd1/mmCd2/mmDt/mmyj15.800486.900183.793469.57556yj25.946247.042387.752255.33569yj36.086363.890536.287382.92189Yj1 (平均）1.93352.300061.264493.19184Yj2 （平均）1.982082.347462.584081.77856Yj3 （平均）2.028791.296842.095790.97396Rj0.095291.050621.319592.21788优水平A1B3C1D3主次因素DCBA最优组合A1B3C1D3(d=60, d1=160, d2=30, t=4)2.2.2三明治板纵向接头的结果分析从正交试验所得的结果可以很直观的看出所选参数的主次，通过各个因素最优组的组合即可以得到最大应力值最小时的最优组及其参数。将最优组进行有限元模拟后得到的结果图进行最大应力点的截取如图2.7所示：图2.7最大应力点的截取观察可得其最大应力值S,mises=6.1234106Pa，符合要求通过正交试验的方法，通过十组的有限元模拟就可以得出最优的一组参数，并且可以更直观的对主次因素进行分析。根据正交试验的结果分析，可以看出影响该接头强度的最主要因素是接头的厚度，而其次是接头的长度，而三明治板本身的外伸长度则对焊接接头的影响很小。通过十组试验的观察，还可以发现该焊接接头的最大应力值的点均在下侧焊接接头与三明治板的接合部分附近，可以看出这是应为下侧该点的应力集中比较大，故强度的要求也较高。3三明治板横向接头设计和纵向接头类似，三明治板的横向接头也是在三明治板与三明治板之间进行对接。但是三明治板横向接头与三明治板的芯板方向处于垂直状态，这种情况下就无法继续使用二维的部件对其进行有限元模拟，而是需要改建更复杂的三维模型。虽然模型比较复杂，但是对横向接头的有限元模拟还是可以使用正交试验法得到最优组数据。3.1三明治板横向接头的数值模拟 本方案中三明治板的横向接头结构可以设计为和纵向接头相似的类型，其接头形式如图3.1所示。该接头的参数有三明治板芯板的剖切深度d，接头的长度d1，接头的外伸长度d2以及接头的厚度t。图3.1三明治板横向接头接头形式3.1.1绘制正交表根据所设计的接头结构，最终确定的可变参数有三明治板芯板的剖切深度d，接头的长度d1，接头的外伸长度d2以及接头的厚度t，接头与三明治板的搭接长度d3=20mm。根据可变参数的数量可以确定该接头的因素为4，水平可以选择为3，根据实际情况选择水平的大小，绘制出的正交表如表3.1所示：表3.1正交试验试验方案 因素A d/mmBd1/mmCd2/mmDt/mm1301203022301403533301604044401203545401404026401603037501204038501403549501603023.1.2建立模型 根据给定条件，该横接头的模型需要设计为三维。以第一组试验为例，d=30mm，d1=120mm，d2=30mm，t=2mm。根据以上数据，运行ABAQUS后，首先需要画出3维草图，草图需要把三明治板以及接头分开来画，再对草图分别进行拉伸操作，所得草图以及零部件如图3.2和图3.3所示：图3.2三明治板横向接头零件草图图3.3三明治板横向接头零部件画好草图并生成零部件后，首先需要进入“装配”模块通过“旋转实例”、“平移实例”和“合并/切割实例”将两零部件合并成需要的部件。所得的部件如图3.4所示：图3.4三明治板横向接头 得到所需求的部件后再回到“属性”模块对该部件进行赋予属性的操作。该方案所选材料均为Q345，考虑到方案研究的是静力下的受力变形，只需要给材料赋予弹性和塑性即可。弹性参数杨氏模量大小为200GPa，泊松比为0.3。在塑性应变为0时屈服强度为345MPa，塑性应变为10时屈服强度为630MPa。材料属性创建好后需要为部件创建截面，该方案部件截面应该选择“实体、均质”，平面应力/应变厚度为1。再对部件指派上述截面即可。3.1.3设置分析步现在已经创建了模型，可以进入到“分析步”模块来设置分析过程。在本模拟中，我们感兴趣的是三明治的静态响应。在ABAQUS中有两类分析步：一般分析步，可以用来分析线性或非线性响应；线性设动步，只能用来分析线性问题。在ABAQUS中只能使用一般分析步。在本模拟中，可以定义一个静态线性摄动步。创建分析步时我们需要要选定“静力、通用”，最大增量步数为100，增量步大小为0.1即可。3.1.4在模型上设立相互作用相互作用的定义的位置应该是相互接触的地方及相互接触的相邻的位置，因为在构件受力时，接触的地方在力的作用下会相互挤压，而附近的区域由于变形的影响位移也会产生移动，该部件的相互作用位置如图3.5所示。为防止上下两面挤压变形，需要对其设置表面与表面接触的相互作用。图3.5三明治板横向接头相互作用的设立3.1.5在模型上施加边界条件和载荷施加的条件，例如边界条件和载荷，是与分析步相关的，即用户必须指定边界条件和载荷在哪个或哪些分析步中起作用。现在，已经定义了分析中的步骤，可以应用“载荷”模块定义施加的条件。因为实际情况下三明治板下端是与地面接触的，而焊接接头的位置是对称固定的。为了满足这些条件，就需要为部件设立边界条件。本方案研究的是静力下的有限元模拟，所以只在部件的上表面施加了一个均布载荷，其大小为3米水深的压力29400Pa。边界条件与载荷施加后的情况如图3.6所示：图3.6三明治板横向接头的边界条件及施加的载荷3.1.6模型的网格的划分网格在ABAQUS中至关重要，只有划分好网格才能进行有限元模拟，划分出好的网格，能更直观的表现出模拟结果。应用“网络”模块可以生成有限元网络。用户可以选择ABAQUS/CAE使用的创建网络、单元形状和单元类型的网络生成技术。尽管ABAQUS/CAE具有一系列的各种网路生成技术，但是，一位区域的网络的生成技术不能改变。默认使用在模型中的网络生成技术由模型的颜色标识，并在进入“网格”模块时进行显示。如果ABAQUS/CAE显示为橙黄色，则表示没有用户的帮助就不能进行网路划分。由于三维模型的网格划分较为复杂，直接对其划分的话划分出的网格无法符合模拟的要求，可以在菜单的“工具/分区”对模型进行分区，再划分出来的网格就可以达到摸你的需求。该部件划出的网格如图3.7所示： 图3.7网格的划分3.1.7创建分析和作业完成基本步骤后，下一步需要创建分析和作业。进入“作业”模块，首先需要创建作业，默认所有设置即可，也可以根据电脑性能调节物理内存使用率。进入作业管理器，即可以提交分析，分析过程中可以通过作业管理器对运行过程进行监控，直到得出结果。作业完成后即可观看作业的结果如图3.8：图3.8模拟结果云图通过以上步骤即可得出第一组试验d=30mm，d1=120mm，d2=30mm，t=2mm时的有限元模拟结果。同时，在ABAQUS上即可得到各个部分应力值的大小，从而选择出接头处应力值最大时的应力值。做出正交表里的九组数据后即可通过正交试验法求出最优组的横向接头。由于本方案设计的是焊接接头的性能，为了满足方案的要求，故所选取的最大应力值的点应该位于焊接接头附近。3.2三明治板纵向接头的模拟结果及分析3.2.1三明治板纵向接头的模拟结果根据正交表中九组试验所得到的结果用正交试验法进行计算分析后的到的结果如表3.2和表3.3所示：表3.2正交试验结果实验号A d/mmBd1/mmCd2/mmDt/mm应力集中区最大应力/Pa1301203025.176361072301403532.454161073301604041.038031074401203547.384791075401404025.279571076401603033.322491077501204032.021011078501403549.406021079501603027.5381107表3.3正交试验结果分析 因素Ad/mmBd1/mmCd2/mmDt/mmyj18.668557.9358516.0369517.99406yj29.340548.674334.133247.79766yj310.4997111.898628.338612.71711Yj1 (平均）2.889522.645285.345655.99801Yj2 （平均）3.113512.891441.377752.59922Yj3 （平均）3.49993.966212.779540.9057Rj0.610381.320923.96795.09231优水平A1B1C2D3主次因素DCBA最优组合A1B1C2D3(d=30, d1=120, d2=35, t=4)3.2.2三明治板纵向接头的结果分析从正交试验所得的结果可以很直观的看出所选参数的主次，通过各个因素最优组的组合即可以得到最大应力值最小时的最优组及其参数。将最优组进行有限元模拟后得到的结果图进行最优工作点的截取位置如图3.9所示：图3.9最大应力点截取位置所得最大应力点的应力值S,mises=7.23327107Pa。符合要求。通过正交试验的方法，通过十组的有限元模拟就可以得出最优的一组参数，且可以更直观的对主次因素分析。根据正交试验的结果分析，可以看出影响该接头强度的最主要因素是接头的厚度和接头外伸的长度，而接头的长度和芯板刨切的深度则稍次之。4三明治板L型接头设计对于L型接头的连接,除了其强度特性、制造过程是重要的。能够安全、便捷的对接头进行焊接，是其中尤为重要的一部分。对此，本方案设计了两种L型接头形式分别进行有限元模拟，从而得到其最适合的接头参数。4.1三明治板L型接头搭接角钢时的数值模拟本方案中L 型接头搭接角钢时的结构图如图4.1所示。该接头的参数有搭接的角钢的宽度l，角钢的厚度t，垂直三明治板盖板的外伸长度d1以及水平三明治板盖板的外伸长度d2。图4.1L型接头搭接角钢时的结构图4.1.1绘制正交表 根据所设计的接头结构，最终确定的可变参数有搭接的角钢的宽度l，角钢的厚度t，垂直三明治板盖板的外伸长度d1以及水平三明治板盖板的外伸长度d2，两三明治板的搭接长度d3=20mm。根据可变参数的数量可以确定该接头的因素为4，水平可以选择为3，根据实际情况选择水平的大小，绘制出的正交表如表4.1所示：表4.1正交试验试验方案因素A l/mmBt/mmCd1/mmDd2/mm1502808025039090350410010046029010056031008066048090770210090870380100970490804.1.2建立模型根据所给条件，我们只需要进行二维模拟即可。选择第一组数据进行模拟，则l=50mm，t=2mm，d1=80mm，d2=80mm。根据以上数据，即可在ABABQUS上进行操作。首先进行的是草图的绘制，该草图绘制完后如图4.2所示： 图4.2草图的绘制草图完成后，在“属性”模块创建材料并对部件赋予属性。该方案所选材料均为Q345，考虑到方案研究的是静力下的受力变形，只需要给材料赋予弹性和塑性即可。弹性参数杨氏模量大小为200GPa，泊松比为0.3。在塑性应变为0时屈服强度为345MPa，塑性应变为10时屈服强度为630MPa。材料属性创建好后需要为部件创建截面，该方案部件截面应该选择“实体、均质”，平面应力/应变厚度为1。再对部件指派上述截面即可。为部件赋予属性后就可以在“装配”模块对部件进行实例化，从而进行下一步操作。4.1.3设置分析步 现在已经创建了模型，可以进入到“分析步”模块来设置分析过程。在本模拟中，我们感兴趣的是三明治的静态响应。在ABAQUS