铝合金筒体焊接温度场和应力应变场的三维数值模拟

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1、摘要中文摘要焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等学科的复杂的物理化学过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固以及冷却时的相变、焊接应力和变形等等。因为焊接过程的复杂性，所以很难通过实验的方法对焊接过程产热和应力分布进行研究。借用计算机技术，对焊接现象进行数值模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题，并且得到了越来越广泛的应用。本文运用有限元法(FEM)，对铝合金筒体结构的焊接过程进行研究，分析了焊接过程的热、力行为；探讨了结构焊接温度场、应力场的分布规律。在阐述有限单元法基本理论

2、和基本推导方程的基础上，以大型有限元分析软件ANSYS作为分析手段，建立全位置焊接移动热源的三维有限元计算模型，对筒体结构的焊接温度场进行动态模拟，并以瞬态温度场分析为基础，进行焊接残余应力的热弹塑性分析。计算结果表明，简体内侧焊缝和近缝区的环向和轴向残余应力均为拉应力，随着离开焊缝距离的增加，由拉应力逐渐过渡到压应力。在筒体外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力为拉应力。关键字：数值模拟；有限单元法；简体结构；温度场；应力应变；残余应力；残余变形AbstractWeldingisaco

3、mplicatedphysicochemicalprocesswhichinvolvesinelectromagnetism，heattransferring，metalmeltingandfreezing，phase-change，weldingstressanddeformationandSOon．Becauseofthecomplexityofweldingprocess，theresearchofweldprocessproducehotandstressthroughmethodofexper

4、imentisverydifficulty．Withthedevelopmentofcompmerscienceandtechnology,numericalsimulationofweldingphenomenahasbecomeahotresearchtopicdomesticallyandabroadandhasalsobeenputintowideuse．FiniteElememMethod(FElVOisusedheretosimulatethetemperaturefieldandthere

5、sidualstressfieldintheCanisterstructures，toanalysisthehot，stressbehaviorinweldprocess．Probethedistributionmleofstressfieldandtemperaturefield．Onthebasisoffiniteelementtheoryandfundamentalequation，ANSYS，asalargeFEManalysissoftwareusedhere，athree-dimension

6、alfiniteelememnumericalsimulationisfounded，tosimulatethetemperatureandstressfieldofthiskindofcanisterstructures．Distributionsofaxialandhoopresidualstressesattheweldandweldvicinityoninnersurfaceofcanisteraretensile，andtheyaregraduallytransferredintocompre

7、ssive晰tllincreaseofdistanceawayfromtheweldjoint．Theaxialresidualstressesattheweldandweldvicinityonoutersurfaceofcanisteriscompressivewhilethehooponeistensile．Someexperimentswerecarriedouttoverifythesimulationresults．KeyWords：numericalsimulation；FiniteEle

8、memMethod；canisterstructures；temperaturefield；stress—train；residualstress；residualdeformationII主要符号表Cp定压比热，JIKg‘。CQ焊接热源输入功率，WK。导热系数∥导热系数C，液相比热，J／Kg’。CC。固相比热，JIKg。。C，焊接电流，彳K热源集中系数U焊接电压，yg重力加速度，．mls2h，对流换热系数，W／m2．oC埘相变潜热J／Kg