50000字硕士毕业论文整体三通焊接机的仿真与优化分析

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：50000字

论点：焊接,焊缝,模拟

论文概述：

本论文从三维建模开始，通过划分网格、边界条件、焊接过程设置等前处理软件的操作，分别对单 T 型管的有限元仿真焊接模拟，深入研究了焊接、冷却过程中的焊件的不同部位的温度与热应力

论文正文：

第一章螺纹理论

1.1简介
近几十年来，各种新材料在各种新加工技术的配合下不断发展。例如，虚拟工程是在这种环境下应运而生的一个新领域，它以惊人的速度促进了现代工业的发展。虚拟工程在重工业发展中发挥着重要作用。先进制造技术，如CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)，它集成了计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助工艺设计、计算机辅助制造、计算机辅助制造等多种计算机辅助软件技术。在网络化制造过程中)，并行工程计算、敏捷制造等计算机辅助过程在工业产品概念、模型设计、结构优化、产品性能分析等重要步骤中发挥着重要作用。[1]，可以缩短从概念设计到实际生产的时间，简化生产过程，缩短制造过程的调试周期，从而节约测试成本等。本文主要从焊接技术的角度，进一步探讨了有限元模拟焊接在虚拟工程中的具体应用。在当前高度发达的工业生产中，焊接技术已经成为一门独立的学科，广泛应用于油气管道、电力、航空空航空航天、桥梁工程、船舶和各种金属材料加工行业。微角焊接的主要原理是一种通过热源加热或施压，使焊件的金属材料与原子结合成一体，实现永久连接的加工技术。与其他加工技术相比，焊接产生的结构减少了焊接件的金属原材料，原材料利用率高，生产工艺简单，生产制造周期短，容易完成一些结构较为复杂的结构的连接。因此，焊接在[工业发展中占有越来越大的比重。
虽然焊接工艺相对简单，但具体的焊接工艺涉及热力学、电弧物理、传热、金属熔化和凝固、金属冶金相变、残余热应力、冷却变形等。以焊接过程中产生的焊接残余热应力和焊件的形状变化为例，残余热应力和变形不仅会影响复杂焊件后处理工艺的精度和尺寸，还会影响焊件结构的使用寿命和工程使用性能。综上所述，在概念设计阶段必须充分考虑上述各种因素，必须掌握各种不利因素的产生机理和规律性。在概念设计阶段，应采取相应的补救措施，对结构、方案等方面进行多重模拟分析和评价。同时，对焊接工艺参数进行软件分析和评价，最终获得一套经济有效的最佳焊接方案。如果在工厂或实验室通过大量的焊接来确定最佳的焊接方案，不仅浪费人力、财力和时间，而且具有很大的盲目性，测试方向不明确，方案精度相对较差。在这种环境下，虚拟仿真工程发挥了方便、高效、高精度的优势。首先，使用专业的焊接仿真软件，从理论上尽可能准确地模拟焊接过程。经过大量的数值计算，确定了最优方案，并通过较少的具体试验验证了该方案的实用性和适用性。利用计算机有限元模拟焊接大大提高了对接焊接结构的可靠性和应用价值，也为焊接工艺提供了有力的理论依据。
目前，虚拟工程中使用的有限元模拟焊接仿真软件包括Ansys、Abaqus、Sysweld、可视化环境、Altair-Hyper Works等。其中，法国ESI公司开发的专业焊接软件Sysweld被选为T管焊接虚拟仿真工程的单个T管焊接求解器。全局T形管求解器选择我们公司的焊接模拟套件作为求解器，以优化T形管的整体焊接顺序。通过对钢管整体变形的定量分析，确定了最佳焊接顺序方案。选择德国西门子公司的UGS软件对丁字管进行建模。网格划分等预处理工作采用美国阿尔泰公司的阿尔泰超级工程和ESI公司的可视化环境软件进行协作和交叉使用。利用有限元仿真模拟焊接，在计算机上进一步预览和实现整个制造过程。在室内条件下，对焊接件的各种温度、热应力、残余热应力、热变形等相关方面进行分析，预测焊接重要零件的力学性能是否满足实际应用标准，从而进行相应的优化，达到最佳焊接效果。焊接有限元虚拟仿真的实现非常复杂，这本身就是一个巨大的工程。它包括热源、过程控制、焊接冶金、应力变形等环节。本文仅从焊接力学仿真的角度介绍了近年来国内外的一些进展和我们在这一领域多年的工作[1]。
残余应力直接影响焊接件的使用寿命，焊接过程中产生的焊接温度是影响焊接件金属材料微观组织和力学性能的主要原因。在冷却过程中，焊接相变对焊接件的体积变形有重要影响。模拟焊接件冷却过程中相变与温度的关系，对于研究焊接冷却过程中的热变形具有重要意义，从而直接影响焊接件冷却过程中的结构优化。在这种情况下，国外一些有限元模拟软件在温度、应力场和金相分析方面显示出很强的优势，在这些有限元模拟软件的推动下，焊接工艺可以得到更好的发展。

1.2本主题的背景和来源
焊接是一种加工技术，[7]它将热量、压力和填充材料施加到模型的局部，以将不同的部件永久且不可分离地连接在一起，或者在基底表面堆积覆盖层。它广泛应用于各行各业。然而，随着近年来工业的快速发展，人们对焊接做了进一步的研究。焊接热力学、焊接残余热应力、焊接热变形、焊接金属相变等都成为焊接的研究对象。自从计算机出现以来，计算机模拟极大地促进了水平和垂直方向的焊接。同时，焊接过程本身的深度和广度也促进了彼此的发展:发展的广度导致深度的增加，深度也促进了研究的广度。以下重点介绍焊接力学。人们对焊接力学的研究包括许多方面:焊接传热、焊接变形、残余应力、焊接裂纹和焊接接头的力学行为。特别是近年来，随着航天工业的蓬勃发展，高科技和自动控制以及机器人的应用，对焊接产品的精度要求越来越高。虽然现在大规模并行计算服务器的出现使得人们能够实现大规模的仿真计算和更高的计算精度，但是在焊接的高度非线性计算过程中，焊接变形和残余应力的变化规律以及多个焊缝的焊接顺序，仍然常常不甚了解，难以掌握。多焊缝的焊接变形和最佳焊接顺序难以预测和控制。多年来，国内外学者和专家在焊接力学领域做了大量的研究，[8]。

第二章单组三通焊接及焊接结构优化..............................14-45
2.1前言..............................14-16
2.2数学模型和理论的建立..............................16-17 [/BR/] 2.3建模和网格划分以及组的形成..............................17-22 [/BR/] 2.4热源验证..............................22-34
2.5系统焊接模拟计算结果和分析..............................34-45
第三章整体式焊管机的仿真与优化..............................45-60 [/BR/] 3.1多管焊缝整体焊接模拟过程..............................45-46[/溴/] 3.2微克，超级网格，可视化网格预处理..............................46-51
3.3求解器求解和计算..............................51-59
3.4本章概述..............................59-60
第四章多立管三通管件整体焊接顺序的优化..............................60-62 [/BR/] 4.1多立管三通模型的焊接顺序设计..............................60
4.2多立管三通焊接顺序的优化..............................60-62

结论

从三维建模入手，通过网格划分、边界条件、焊接工艺设置等预处理软件的操作，利用有限元模拟对单根T型管的焊接进行模拟。深入研究了焊接件不同部位的温度与焊接和冷却过程中热应力和热变形的关系，确定了它们之间的相互关系，为整体T型管焊缝焊接顺序的研究提供了理论依据。在研究整体式T型管焊缝焊接顺序的基础上，利用ES-1公司有限元仿真套件中的焊缝规划模块对整体焊缝进行优化，从而确定一套符合本文模型条件的最佳焊接顺序。本文确定最佳焊缝的方法也适用于确定其他钢管的焊接顺序。根据本文包含的工作量，可以得出以下结论:
(1)在建模过程中，是否保留焊缝应根据求解器对模型的要求来确定，而用于单个t型管有限元模拟的软件Sysweld则要求必须保留焊缝进行建模；为了优化整体丁字管的焊接顺序，模型不需要保留焊缝。
(2)划分网格时，无论是1D网格还是3D网格，切割都必须在交叉焊缝处进行。经过分析，本文得出结论，根据焊缝形状空切割的网格质量相对较高。
(3)在使用有限元软件Sysweld进行模拟的过程中，可以协调热源的形状、参数、温度等因素，使模拟更加准确、快速。
(4)有限元软件焊缝规划器的分析方法适用于其他多立管三通管件的焊接顺序优化。

参考

[1]。王建华，虚拟工程数值模拟与焊接力学，上海交通大学学报，2001。第十届全国焊接大会(焊接与信息技术专题):33-42。
[2]。魏天东。“丁字钢焊接固有应变的研究与应用”。[燕山大学硕士学位论文/br/][3]。李振江。基于[的焊接接头温度场和残余应力场研究。北京交通大学硕士学位论文。2011.
[4]。自升式平台腿部裂纹补焊技术及平台用高强度钢多道补焊/科研项目建议书[。中国科学院机械研究所机械部郑州机械研究所，1995年。
[5]。李东霞，贾宝春，刘跃进。高强度钢钨极氩弧焊熔焊裂纹的低温力学性能研究[。郑州纺织工程学报。2001.3。
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[8]。伊藤诺吉，国家高效可靠焊接技术发展项目，21世纪焊接与连接研究新浪潮，继续。第一届大阪大学和东京国际大学联合研讨会，2001年3月，日本大阪:21-24
[9]。《21世纪焊接与连接研究的新浪潮——焊接结构的结构整体性的近期TWI工作综述》，发表于2004年。第一届大阪大学和东京国际大学联合研讨会，2001年3月，日本大阪:167-194
[10]。王建华等，三维瞬态焊接温度场的有限元模拟，上海交通大学学报，1996，30(3):120-125