毕业论文范文——焊接变形与基于SYSWELD的焊接力学数值模拟

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1、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

2、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

3、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

4、。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①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，

5、随焊缝长度的增加而增大。②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。③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。④角变形：焊后叶片的平面围绕焊缝产生的角位移。⑤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。⑥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

6、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

7、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

8、、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