论文部分内容阅读
热弹塑性有限元法作为一种经典的焊接数值模拟方法，在计算精度与工艺适应性方面具有其它方法无可比拟的优势，被广泛应用于简单结构的焊接热力学行为研究。然而该方法存在运算规模大和计算耗时长等缺点，很难用于大型复杂结构的焊接过程模拟。围绕热弹塑性有限元法计算效率偏低的问题，本文以激光电弧复合焊接工艺为依托，提出和验证了一种局部热弹塑性-整体弹性映射的有限元高效模拟方法，并实现了大型船用导流管焊接变形及残余应力的预测。主要研究工作包括： 首先，建立了壳体/实体混合的热弹塑性有限元模型。采用自由度耦合方程实现壳体与实体单元在交界面处的平滑连接；基于ABAQUS用户子程序完成体面组合热源模型的二次开发，求解出瞬态温度场；利用间接耦合方法加载温度载荷，实现了T型接头焊接变形与残余应力的数值模拟，最大角变形的模拟误差仅11.11％，且显著提高了计算效率，为大型结构件焊接变形与残余应力模拟奠定了基础。 其次，提出了一种局部热弹塑性-整体弹性映射的有限元高效模拟方法。利用壳体/实体混合的热弹塑性有限元方法实现T型接头局部位段的焊接变形与残余应力计算；通过编制有限元后处理二次开发程序，提取局部位段的残余塑性应变作为固有应变；采用初始应力载荷方法，将固有应变映射到整个T型接头焊缝区。经过与试验及传统计算方法对比，发现该方法能够在保证计算精度的前提下，将计算效率提高约53.7%。 最后，完成了大型导流管焊接变形与残余应力的模拟分析。基于本文提出的“局部-整体”映射的模拟方法，以更小焊接变形和更低残余应力为目标，优化大型结构件局部段焊接顺序；在此基础上，将局部段的固有应变提取并映射到整个结构件中，实现大型导流管内壳板与环形隔板组合体的焊接变形预测；分析了大型导流管局部段残余应力分布，研究了整体结构件的焊接变形趋势，确定了整体结构的最大变形及高残余应力区域。