| 毕业设计 熔焊热过程的数值模拟与综合分析，共67页，40257字。 摘要 本文基于ANSYS平台，分别对低碳钢Q235平板对接钨极氩弧焊、低碳钢20g管状混合气体保护焊、马氏体耐热钢T91管状对接钨极氩弧焊的焊接动态温度场和应力场进行了模拟与分析。分别选用高斯热源模型和双椭球热源模型，利用函数功能实现热源的移动。采用非均匀网格划分，考虑了相变潜热以及材料热物理性能和力学性能随温度的变化。利用生死单元技术实现了双道焊打底焊道与盖面焊道焊接动态过程的依次模拟。 研究内容包括：通过对模拟结果的比较及实际施焊接头的检测验证，讨论了高斯热源模型、双椭球热源模型对低碳钢Q235平板对接钨极氩弧焊三维动态温度分布的模拟精度，分析了热源模型的适用性。采用模拟精度较高的双椭球热源模型，模拟管状对接20g焊接接头、马氏体耐热钢T91焊接接头的动态温度分布。根据模拟出的热循环曲线与对应母材的焊接CCT图，预测焊接热影响区的组织变化与显微硬度分布。对T91接头的模拟中分别采取焊前不预热、焊前预热250℃、预热250℃且焊后去应力热处理这样三种不同加热参数情况进行了模拟分析，对比了由此所造成的接头焊接温度场与应力场的差异，探讨了焊前预热的必要性及焊后热处理的重要作用。 模拟结果表明：对于平板对接钨极氩弧焊热过程的数值模拟，采用双椭球热源模型计算出的熔池最高温度、熔池截面积及高温下的停留时间，均明显高于高斯热源模型的计算结果，且与实测热循环曲线及焊缝截面形状、尺寸吻合较好。焊前预热对降低T91钢小口径薄壁管接头焊接残余应力意义不大。焊后去应力热处理能够显著降低接头中的焊接残余应力。 通过对各实际施焊接头的显微组织、显微硬度及焊缝截面尺寸的测定，验证了模拟方法的合理性与模拟结果的准确性。所建立的双椭球热源模型不仅适用于钨极氩弧焊而且适用于混合气体保护焊，可用于平板对接、管状对接结构焊接热过程的数值模拟。 关键词：数值模拟，有限元，高斯热源模型，双椭球热源模型，T91钢，温度场，应力场 目录 第一章 绪论 1 1.1 前言 1 1.2 选题的背景 1 1.3 焊接数值模拟方法的选用 3 1.4 焊接热过程解析计算方法的发展过程 3 1.5 焊接数值模拟的概况 5 1.5.1 有限元法介绍 5 1.5.1.1 有限元热分析的特点及步骤 5 1.5.1.2 焊接过程有限元分析特点 6 1.5.2 有限元计算方法的发展过程 7 1.5.3 组织模拟的进展 8 1.5.4 当前研究的重点 10 1.5.5 数值模拟的应用以及未来的发展趋势 12 1.6 本文研究的内容和意义 12 第二章 关于钨极氩弧焊热源模型适用性的探讨 13 2.1 研究热源模型的意义 13 2.2 焊接温度场的模拟方法 13 2.2.1 熔焊热过程温度场的理论基础 13 2.2.2 定义单元类型 14 2.2.3 网格的划分 15 2.2.4 材料参数的定义 15 2.2.5 潜热处理 16 2.3 载荷施加 17 2.3.1 焊接热源模型 17 2.3.1.1 gauss热源模型 17 2.3.1.2 双椭球热源模型 17 2.3.2 生热率 18 2.3.3 对流系数 18 2.4 求解措施 18 2.4.1普通选项 18 2.4.2 非线型选项 19 2.4.3 输出控制 19 2.5 焊接温度场的计算结果 19 2.5.1 瞬态温度场的模拟结果 20 2.6 实验验证与对比分析 22 2.6.1 实际焊接热循环曲线的测定 22 2.6.2 焊缝形状尺寸的测定 23 2.7 本章小结 24 第三章 20g钢管多道焊焊接热过程的数值模拟与接头组织分析 25 3.1 前言 25 3.2 焊接接头组织、性能预测及工艺优化的思想 25 3.3 焊接热影响区组织及性能模拟方法及现状 26 3.4 焊接温度场的模拟 27 3.4.1 物理模型 27 3.4.2 双椭球热源模型 27 3.4.3 加载过程以及生死单元的处理 28 3.4.4 焊接冷却过程的计算 28 3.5 模拟结果与分析 29 3.6 接头显微组织与硬度预测 30 3.7 实验验证与对比性分析 31 3.7.1 焊缝形状尺寸的测定 31 3.7.2 显微组织分析及验证 33 3.7.3 硬度分析及验证 33 3.8 本章小结 33 第四章 马氏体耐热钢T91焊接热过程的数值模拟与接头组织性能分析 35 4.1 前言 35 4.2 T91钢的特点 35 4.3两种预热条件下T91钢焊接热过程的数值模拟与接头组织性能研究 36 4.3.1 物理模型 36 4.3.2 模拟结果与分析 37 4.3.2.1 接头温度分布的模拟结果 37 4.3.2.2 焊接热循环曲线 39 4.3.3接头显微组织与硬度预测 41 4.3.4 熔焊热过程应力场模拟分析 41 4.3.4.1 耦合场分析 41 4.3.4.2 应力场耦合的基本原理 42 4.3.4.3 焊前不同预热温度和焊后热处理对残余应力场分布状况的影响 43 4.3.4.4 三种加热规范下的应力场对比性分析 44 4.4 实验验证与对比性分析 45 4.4.1 焊缝形状尺寸的测定 46 4.4.2 显微组织分析及验证 47 4.4.3 硬度分析及验证 49 4.5 本章小结 50 第五章 结论 51 参考文献 52 |
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