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1、 类类 别 ：别 ： 全 日 制 硕 士 研 究 生全 日 制 硕 士 研 究 生 题题 目 ：目 ： 铝铝 合合 金金 变变 极极 性性 等等 离离 子子 弧弧 焊焊 接接 应应 力力 场场 数数 值值 模模 拟拟 英 文 题 目 ：英 文 题 目 ：Numerical Simulation of Stress Field in Variable Polarity Plasma Arc Welding for Aluminum Alloy 研究研究生 ： 赵 鹏生 ： 赵 鹏 学 科 专 业 ： 材 料 科 学 与 工 程学 科 专 业 ： 材 料 科 学 与 工 程 指 导 教 师 ： 韩
2、 永 全指 导 教 师 ： 韩 永 全 教 授教 授 二 二 一 三一 三 年年 六六 月月 分类号分类号: : 学校代码学校代码: : 1012810128 U D C : 学学 号号: : 2010122420101224 硕士学位论文硕士学位论文 内蒙古工业大学硕士学位论文 原 创 性 声 明 本人声明： 所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古工业大学内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明
3、确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。为保护学校和导师的知识产权，作者毕业后涉及该学位论文的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同意，并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。 本学位论文属于 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密不保密。 （
4、请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 内蒙古工业大学硕士学位论文 摘 要 铝合金具有低密度，高比强度以及优良的加工性能等特点，已经广泛地应用在航空、航天、汽车以及船舶等工业领域。但铝合金的独特物理和化学特性已经成为其焊接的难点，作为一种针对铝合金的新型焊接方法，变极性等离子弧焊接方法已经受到广泛关注及应用。 如果能将数值模拟技术成功应用在铝合金变极性等离子弧焊接工艺的制定过程中，不但可以缩短由于长时间的实验而加长的生产周期，同时还可以生产成本。 本文以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础，利用 ANSYS 有限元分析软件，采用的是以温度场为基础进行应
5、力场计算的间接法，对铝合金变极性等离子弧焊接进行应力场的三维数值模拟。 首先对铝合金变极性等离子弧焊的特点进行分析， 建立与实际情况相同的有限元分析模型。焊材的热物理参数均随着温度的变化而改变。由于焊缝区域的温度和残余应力较大，属于重点分析区域，因此与焊件边缘相比，焊缝区域网格划分更为细密。焊接热源采用高斯+双椭球热源模型，并通过正、反极性期间热源模型不同尺寸的循环加载，与实际焊接情况更加贴近。计算后得到焊接的温度场结果，截取不同时刻下焊接温度场的分布云图， 同时获取焊件上几点的了循环曲线， 综合分析在焊接过程中，整个焊件的温度变化过程以及其变化规律。 应力场计算沿用温度场的有限元模型，并以温
6、度场计算结果为载荷进行求解分析。计算后得到焊接应力场结果，截取不同时刻下焊接应力场的分布云图，并通过对焊件整体以及某几个点的残余应力分析，得到焊后整体焊件的残余应力变化情况。 最后， 本文采用 YC-型应力测量仪对采用变极性等离子弧焊接的铝合金焊后残余应力进行测量。将实际测量结果同计算结果进行比较，发现二者数值相差较小，规律相同；证明了通过有限元计算得到的残余应力分布状态和规律是可信的。 关键词：变极性等离子弧焊；数值模拟；铝合金；应力场 内蒙古工业大学硕士学位论文 Abstract With the characteristics of low density, high specific
7、strength and excellent machining performance, aluminum alloy has already been widely used in aerospace vehicles and ships and other industrial fields. As the unique physical and chemical properties of aluminum alloy has become the difficulty of the welding, the method of variable polarity plasma arc
8、 welding, as a new type of aluminum alloy welding method, more and more attentions and applications are paid. If numerical simulation technology can be successfully applied in the process of variable polarity plasma arc welding, not only lengthen production due to long time experiment can be shorted
9、, but also reduce production costs. This paper is based on the theories of heat transfer and thermal elastoplastic finite element analysis, using ANSYS the finite element analysis software; make a three-dimensional numerical simulation of variable polarity plasma arc welding of aluminum alloy. In th
10、e first place, making an analysis on the characteristics of the variable polarity plasma arc welding of aluminum alloy, establish a finite element analysis model the same as the actual situation. The thermophysical parameter of the material changes as the temperature changes. The temperature of the
11、weld area is high and residual stress is larger, which belongs to the key analysis area, as a result weld mesh region is closer than the edge of the weldment. Welding heat source adopts gauss plus double ellipsoid heat source model, with different sizes reversed during heat source model of cyclic lo
12、ading, the result is more close to the actual welding. Calculating the welding temperature field results received, selecting welding temperature field contours in different time as well as obtaining welding points of the thermal circular curve. Make a comprehensive analysis on the weldment temperatu
13、re changing and its change rule during the process of welding. Stress field calculating still adopts the finite element model of temperature field and find the solution by the results temperature field calculating, as well as analyze the welding stress field results after calculating. Selecting weld
14、ing temperature field contours in different time, by means of analyzing the whole butt welding pieces and a few points of the residual stress analysis, get the variation of the residual stress of the whole weldment after welding. In the last place, this paper adopts YC- stress measuring instrument,
15、the residual 内蒙古工业大学硕士学位论文 stress of aluminum alloy is measured after melded, which adopting variable polarity plasma arc welding. By comparing the actual measurement results with the calculating results, which is found that the difference between them is small and the rule is the same. It is proved that using finite element method to calculate the residual stress distribution status and rule can be trusted. Key words: Variable polarity plasma arc; Numerical simulation; Aluminum alloy; Stress field 内蒙古各工业大学硕士学位论文 目 录 第一章 绪论 .
