12mm厚TC4钛合金板电子束焊接温度场应力场三维有限元数值模拟

摘要

本研究在西北工业大学2-64位集群系统高性能计算系统环境下,基于ANSYS的虚拟试验平台,以12mm厚TC4钛合金平板为研究对象,建立了真空电子束焊接的温度场有限元数值计算模型.通过对电子束深熔焊接特点的分析,提出了圆锥形体热源模型,并对电子束焊接温度场进行了数值模拟.模拟的熔池形状和焊缝形貌与文献结果有良好的一致性.在温度场分析的基础上,基于热弹塑性有限元理论建立了钛合金应力场有限元数值计算模型.计算获得了TC4钛合金真空电子束焊接热应力的发展历史和残余应力的分布特征.平板工件中心存在较大的残余应力分布区.在横向距焊缝中心10mm内存在300MPa~594MPa的残余应力.厚度方向上垂直应力以压应力为主,最大值约400MPa位于工件的中心.真空电子束的聚焦束斑直径约为0.1mm~1mm,因此在空间上对焊缝附近区域的网格划分需要比普通焊接方法时细的多,导致计算量大大增加.本文通过在集群系统计算环境下ANSYS的并行计算,在保证计算精度的前提下,显著的提高了计算速度,为大型复杂焊接构件的计算奠定了基础.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2钛合金及钛合金的焊接

1.2.1钛合金的基本特性与应用

1.2.2钛合金的焊接

1.3真空电子束焊接

1.3.1电子束和电子束焊接

1.3.2电子束焊接的特点和分类

1.3.3真空电子束设备

1.3.4电子束焊接的应用

1.4焊接过程的数值模拟

1.4.1焊接温度场数值模拟的研究现状

1.4.2焊接应力场数值模拟的研究现状

1.5选题的背景与意义

1.6本文主要研究内容

第2章焊接热弹塑性有限元分析的理论基础

2.1前言

2.2有限单元法

2.3 ANSYS简介

2.4焊接温度场分析计算的基本原理

2.4.1数学模型

2.4.2非线性热传导分析的收敛判定

2.5焊接应力场分析计算的基本原理

2.5.1热弹塑性理论

2.6本章小结

第3章钛合金电子束焊接有限元模型

3.1耦合场分析

3.2温度场分析

3.2.1单元类型

3.2.2几何模型和网格划分

3.2.3材料属性

3.2.4热源模型

3.2.5热源有效利用率

3.2.6加载和求解

3.3应力场分析

3.3.1单元类型

3.3.2本构方程

3.3.3材料属性

3.3.4加载和求解

3.4本章小结

第4章焊接温度场计算结果及讨论

4.1焊接温度场整体分布

4.2冷却过程温度场分布

4.3本章小结

第5章焊接应力场计算结果及讨论

5.1焊接过程中典型横向截面应力应变分析

5.2焊接残余应力

5.2.1横截面残余应力分布

5.2.2纵截面残余应力分布

5.2.3厚度方向残余应力分布

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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