大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用

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1、中文摘要为了对大型水轮机蜗壳的焊接残余应力和变形进行数值模拟，本文首先对焊接热源模型及多层多道焊的温度场进行了研究。焊接温度场的准确定量是焊接应力应变分析的前提。温度场包含了焊接过程的充分的信息，其研究结果对焊接基本问题的认识和焊接结构的生产具有重要的作用。在对已有热源模型分类并仔细分析典型热源模型的基础上，提出了动态热源模型的概念和热源模型的三要素。并结合红外成像实验，对短路过渡C02气体保护焊的温度场进行了研究。发现在熔池及其邻近区域的温度场呈现锥形加喇叭形的分布特点，不同于以往TIG焊和手工焊条电弧焊的高斯分布。在上述研究的基础上，建

2、立了结合电弧热流高斯分布和熔滴热流锥形分布的结合型的热流分布模式。并经实验验证以及与高斯热源模型的数值模拟结果进行比较，证明其应用于有熔滴过渡行为的能量密度更加集中的GMAW的数值模拟结果较好。此外，在分析多层多道焊的热流特点的基础上，对多层多道焊具体的工艺条件及对流辐射条件的动态变化对温度场的影响进行了研究，提出了分层采用不同的热源模型的数值模拟方法。并对每层宜采用的不同的热参数进行了研究，得出了计算各层热效率值的经验公式。此外，重点对双椭球热源模型的热流分布参数的取值规律和不同取值所造成的最大热流密度的误差进行了分析，得出了热流分布参数

3、的一些取值规律。经实验验证，综合应用这些研究结果而建立的多层多道焊数值分析模型是有效的。基于上述研究结果，对二滩水电开发有限责任公司的大型水轮机蜗壳的焊接过程进行了数值模拟。研究了蜗壳的两种典型焊接结构和典型焊缝，即蜗壳瓦片纵缝焊接和管节组装环缝焊接的应力变形特点，研究结果对蜗壳的焊接生产具有重要的指导作用。关键词：焊接温度场；红外成像；数值模拟；结合型热流分布模式；多层多道焊；大型水轮机蜗壳ABSlRACTABSTRACTInordertosimulatetheresidualstressanddeformationoflarge-sca

4、lespiralcasingofwaterturbine，theweldingheatsourcemodelandthetemperaturefieldofmultipassweldingarestudiedinthispaper．Itprovidesthefoundationforweldingstress-strainanalysistoquantifyaccuratelytheweldingtemperaturefield．Temperaturefieldcontainsadequateinformationaboutweldingp

5、rocess，SOitisvitalforunderstandingbasicweldingproblemsandproducingweldstructure．Theexistingheatsourcemodelsalecategorizedandthetypicalonesareanalyzed，basedonwhichtheconceptofdynamicheatsourcemodelandthreeelementsofweldingheatsourcemodelareproposed．Withtheconceptandtheinfra

6、redimagingexperiment,thetemperaturefieldofshortcircuitingC02gasarcweldingisresearched．Itisfoundthatthetemperaturedistributionofweldpoolanditsadjacentareahasacombinedshapeofconeandtrumpet,whichisdifferentfromtheGaussiandistributionofTIGweldingandmanualmetalarcwelding．Subseq

7、uentlythecombinedheatdistributionpattemisestablished，whichcombinedtheGaussianheatdistributionofarcandtheconicalheatdistributionofdroplets．ItiscomparedwiththesimulationresultofGaussianheatsourcemodelandthatofexperiment．Itisfoundthattheapplicationofcombinedheatdistributionto

8、GMAWwithmoreconcentratedenergy,inwhichdropletistransferred，producemoreaccuratenumericalsi