動(dòng)車組車體的輕量化設(shè)計(jì)廣泛地采用鋁合金焊接結(jié)構(gòu)。雖然焊接存在著連接穩(wěn)固、成本低廉的優(yōu)點(diǎn),但是鋁合金焊接更容易在焊縫部位產(chǎn)生夾雜物、氣孔、熱裂紋等焊接缺陷,在服役過程中會(huì)形成裂紋源,對車體結(jié)構(gòu)安全性造成威脅。焊接殘余應(yīng)力是焊接過程中不可避免的另一種焊接缺陷,拉伸殘余應(yīng)力會(huì)增加裂紋驅(qū)動(dòng)力并降低材料的斷裂抵抗力,在服役過程中會(huì)對車體強(qiáng)度可靠性具有極大的威脅。因此,采用斷裂力學(xué)的分析方法對列車車體進(jìn)行評估,研究焊接殘余應(yīng)力和裂紋化的缺陷對車體斷裂失效的影響,對車體的服役安全性評估和焊接質(zhì)量的控制具有重要的意義。采用熱-彈塑性法、線性斷裂力學(xué)、裂紋當(dāng)量化表征、等參逆映射法、有限元法、固有應(yīng)變法、可靠性安全系數(shù)法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和FAD方法相結(jié)合的方法研究焊接缺陷對車體斷裂失效的影響,為焊接質(zhì)量的控制和車體安全性評估提供了方法參考。研究內(nèi)容主要包含四個(gè)部分。首先,采用熱-彈塑性法對焊接接頭模型進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)鋁合金車體上的各焊接接頭形式,建立相應(yīng)的幾何及有限元模型,使用順序耦合的方法計(jì)算了焊接溫度場和熱應(yīng)力。其次,采用線彈性斷裂力學(xué)方法對焊接缺陷裂紋化表征模型進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算。建立焊接接頭裂紋的... 

【文章來源】：西南交通大學(xué)四川省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖2-3雙橢球熱源模型

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第14頁熱介質(zhì)的溫度(C);（2）應(yīng)力場計(jì)算邊界條件在本次模擬數(shù)值中，如圖2-4所示，施加的邊界條件（自由約束）為:對A，B，C處各頂點(diǎn)施加約束，A點(diǎn)在x,y,z方向都實(shí)施約束，B點(diǎn)在y,z方向都實(shí)施約束，C點(diǎn)在y方向都實(shí)施約束�？傮w實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的約束，防止過約束或者欠約束。圖2-4位移邊界條件（3）求解設(shè)置焊接溫度場的分析步類型選擇傳熱分析。由于應(yīng)用了生死單元法，熱源移動(dòng)激活焊道，所以當(dāng)熱源每激活一層焊道即需要設(shè)置一個(gè)分析步，因此需要設(shè)置多個(gè)分析步。當(dāng)熱源離開模型時(shí)，設(shè)定一個(gè)分析步用于焊接接頭模型的冷卻。在熱源模型移動(dòng)的分析步中，初始時(shí)間步長設(shè)置為0.01s，最小時(shí)間步長設(shè)置為1e-8s，最大時(shí)間步長為1s。在冷卻過程中，設(shè)置初始時(shí)間步長為0.01s,最小時(shí)間步長設(shè)置為1e-8s，最大時(shí)間步長為10s，冷卻時(shí)間設(shè)置為600s。因?yàn)榧訜徇^程對最后的結(jié)果影響很大，所以其最大時(shí)間步長不宜設(shè)置過大。每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)溫度變化不超過1000℃。各個(gè)接頭的焊接過程分析步設(shè)置如表2-4所示。表2-4分析步設(shè)置焊接時(shí)間（s）冷卻時(shí)間（s）單道焊50600第一道焊接時(shí)間冷卻時(shí)間第二道焊接時(shí)間冷卻時(shí)間多道焊502050600其中單道焊包括板厚為3mm的對接和搭接以及板厚為4mm的對接。多道焊則是指板厚為8mm的兩道焊對接。焊接應(yīng)力場的分析步類型選擇靜力分析。其分析步設(shè)置需要和所計(jì)算的溫度場一致，以保證溫度場結(jié)果可以順利以熱載荷的方式加載到計(jì)算應(yīng)力的模型上。與溫度場不同的是，應(yīng)力場需要將大變形打開。

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第15頁2.3殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果分析順序耦合熱應(yīng)力分析中，焊接接頭的溫度場結(jié)果是決定接下來應(yīng)力場結(jié)果正確與否的關(guān)鍵因素。溫度過高則會(huì)使得焊接殘余應(yīng)力值過大，而溫度過低則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算失敗，無法得出有效的應(yīng)力場結(jié)果，因此需要先進(jìn)行熱源校核，確保在熱源穩(wěn)定后，焊接區(qū)域能夠處于熔融狀態(tài)。因?yàn)榘搴駷?mm與板厚為4mm的對接接頭模型除了板厚和熱輸入，其他焊接條件都相同，故溫度趨勢及殘余應(yīng)力分布相同，在云圖結(jié)果中僅顯示板厚為3mm的對接、搭接以及板厚為8mm的對接接頭模型。2.3.1焊接溫度場結(jié)果分析（1）板厚為3mm的對接以及搭接接頭溫度場結(jié)果從焊接接頭瞬態(tài)溫度場計(jì)算結(jié)果中選取時(shí)間為0.3s、25s、50s、200s的溫度場云圖如圖2-5所示。（a）0.3s時(shí)溫度場云圖（b）25s時(shí)溫度場云圖（c）50s時(shí)溫度場云圖（d）200s時(shí)溫度場云圖（e）0.3s時(shí)溫度場云圖（f）25s時(shí)溫度場云圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的車體結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展與剩余壽命評估[J]. 楊海賓,朱濤,肖守訥,陽光武,楊冰.  鐵道機(jī)車車輛. 2019(01)
[2]基于結(jié)構(gòu)整體性評估程序和失效評定圖方法的含裂紋缺陷鋼軌安全性評定[J]. 于輝,鄒海貝,李偉,翟建偉,劉利剛.  中國機(jī)械工程. 2019(03)
[3]殘余應(yīng)力對薄板激光搭接接頭力學(xué)性能的影響[J]. 梁行,姜云祿,陳懷寧,闞盈.  焊接學(xué)報(bào). 2017(10)
[4]焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)理論與方法[J]. 兆文忠,李向偉,董平沙.  焊接技術(shù). 2017(08)
[5]拉格朗日插值方法和等參單元逆變換方法在熱固耦合中的應(yīng)用[J]. 金賽英,陳鐵鋒.  裝備制造技術(shù). 2017(07)
[6]高速列車車體的靈敏度分析及輕量化設(shè)計(jì)[J]. 高月華,石曉飛,謝素明,杜禮明.  鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2017(05)
[7]高速列車用A6N01-T5鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接頭疲勞性能研究[J]. 張翔.  熱加工工藝. 2017(07)
[8]慣性釋放法在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測中的應(yīng)用（英文）[J]. 王陽,羅宇,陳震,薛健.  船舶力學(xué). 2016(09)
[9]焊接變形預(yù)測中固有應(yīng)變施加的簡易方法[J]. 顧穎,李亞東,強(qiáng)斌,楊元錄.  熱加工工藝. 2016(05)
[10]300km/h高速列車車體殘余應(yīng)力超聲波法無損測量[J]. 路浩,馬子奇,劉雪松,方洪淵.  焊接學(xué)報(bào). 2010(08)

博士論文
[1]基于疲勞損傷累積理論的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測與時(shí)變可靠性分析方法研究[D]. 彭兆春.電子科技大學(xué) 2017
[2]鐵道客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞可靠性研究[D]. 盧耀輝.西南交通大學(xué) 2011

碩士論文
[1]焊接殘余應(yīng)力數(shù)值計(jì)算及對鋁合金車體強(qiáng)度可靠性的影響分析[D]. 趙智堂.西南交通大學(xué) 2018
[2]高速列車鋁合金焊接接頭裂紋的擴(kuò)展行為[D]. 王亞東.蘭州理工大學(xué) 2018
[3]基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的高速列車鋁合金焊接車體疲勞壽命預(yù)測方法研究[D]. 向鵬霖.西南交通大學(xué) 2017
[4]高速列車車體疲勞強(qiáng)度可靠性分析[D]. 馮振.西南交通大學(xué) 2016
[5]高速列車車體承載關(guān)鍵部位的焊接缺陷容限研究[D]. 王帥麗.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013



本文編號：3120530