基于固有应变的潜孔钻机钻架焊接变形预测.pdf

中图分类号 H 鱼垒 U D C6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 塾3 基于固有应变的潜孑L 钻机钻架焊接变形预测 P r e d i c t i o no f W ．e l d i n gD e f ．o n n a t i o n so fD r i l l i n gF r a m e o nD o w n ．T h e ．H o l eD r i l lB a s e do nI n h e r e n tS t r a i n 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 陈林 机械工程 车辆工程 机电工程学院 吴万荣 曹中一 答辩委员会主席扣蛐式 中南大学 二。一四年 万方数据 学位论文原创性声明 ㈣掣则必学 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 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 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名罩互 之丕 日期丝f 竺年』月盐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名銎互二整 日期Z f 竺年￡月＆日 聊签名立盔 万方数据 基于固有应变的潜孔钻机钻架焊接变形预测 摘要T D l 6 5 C H 型潜孔钻机的钻架是其关键的承载部件，除承受各种载 荷，还受冲击振动影响。钻架又是关键的运动承载部件，动力头安装座和 滑架均装配在钻架的导轨上，并沿导轨滑动。因此，钻架的焊接质量和精 度直接影响潜孔钻机的工作性能和使用寿命。但钻架的细长比大，焊道数 量多，其焊接质量和精度较难保证。对钻架的焊接变形进行预测，对减小 钻架焊接变形和改进焊接工艺的具有实际意义。本文基于固有应变理论， 采用A N S Y S 软件进行有限元分析计算。 首先，对钻架结构和焊道类型进行分析，建立简化的基本焊道模型进 行热弹塑性有限元计算。通过一维杆．弹簧模型推导得到由最高温度和约 束度决定的固有应变表达式，再对基本焊道模型进行温度场分析得到最高 温度分布，并按不同焊接顺序求解得到基本焊道模型中各焊道的约束度分 布，将两者代入固有应变表达式，求解得到固有应变分布，对固有应变积 分得到等效载荷。 其次，将等效载荷作为初始载荷施加于钻架上，经过一次弹性有限元 计算，得到钻架的焊接变形结果。其结果表明钻架槽钢翼缘产生了“波 浪形“ 的变形，越靠近矩形钢管变形量越大；钻架在纵向不对称，产生了 扭转变形，且扭转变形对各向变形影响较大；钻架两端固定，重力对钻架 变形产生较大影响。 最后，将钻架上同一槽钢翼缘间的宽度仿真值与实测值和不同槽钢相 对应翼缘间的宽度仿真值与实测值绘制成曲线进行对比分析，结果表明 本文基于固有应变理论对钻架焊接变形进行的预测结果比较准确。本文进 一步提出了采用夹具工装控制焊接变形量，通过有限元分析表明采用夹 具工装后，钻架的各向变形均大幅度减小，且有效降低了重力对钻架变形 的影响。 关键词固有应变约束度温度场等效载荷潜孔钻机钻架 分类号T H l 3 7 ．7 I I 万方数据 P r e d i c t i o no fW e l d i n gD e f o m a t i o n so f D r i l l i n gF r 锄e o nD o w n ．T h e ．H o l eD r i UBa s e do nI n h e r e n tS 仃a i l l A b s t r a c t D r i l l m gf h m ei sak e yc o m p o n e n to fT D 16 5 C HD 耶H ，i sa f 诧c t e d b ys h o c ka n dV i b r a t i o na n ds u b j e c tt oV 撕o u sl o a d s ．1 1 1 e “1 1 i 1 1 9 仔锄ei sk e y m o V i n gp 缸，p o w e rh e a dm o u n ta 1 1 dt h ec a r r i a g ea r em o 眦1 t e do nt h eg u i d er a i l o ft h e “1 1 仔锄ea n ds l i d ea l o n gt h eg u i d er a i l ．T h e r e f o r e ，t h ew e l d i n gq u a l 时 a n d p r e c i s i o no fd r i l l i n g6 7 a m ed i r e c t l y D T H ．B u ts l e n d e m e s sr a t i oo f “l l i n g a f f e c tt 1 1 ew o r kp e r f ．o m a n c ea n dl i f eo f f } 锄ei s 铲e a t ，m en u m b e ro fw e l di s n u m e r o u s ，i ti sd i 伍c u l tt oe n s u r eq u a l 时a n da c c u r a c yo fw e l d i n g ．P r e d i c t w e l d i n gd e f o m a t i o no fad d l l m g 仔a m e ，h a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e d u c e w e l d i n gd e f o m a t i o n 觚dw e l d 崦p r o c e s s e so f “1 1 i n g 矗锄e ．T h i sa n i c l eu s e A N S Y Ss o R w 2 u r et od of i l l i t ee l e m e n ta n a l y s i s 、v h i c hb a s e do nt 1 1 ei n h e r e n t s t r a i nt 1 1 e o 巧． F i r s t l y ，a n a l y z e dd r i U i n gf } a m es t m c t u r ea n dw e l dt y p e ， e s t ￡l b l i s ha s i 瑚【p l i f i e dm o d e lo ft h eb a s i cw e l da n dd ot h e r I n a le l a s t i c - p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o n s ．I n h e r e n ts t r a i ne x p r e s s i o n so b t a i n e dw h i c ha r ed e c i d e d b y t h em a x i m u m t e m p e r a m r e a n dc o n s _ t r a i n t si sd e r i V e d b y t h e o n e - d i m e n s i o n a lb a r - s p r i n gm o d e l ，a n da n a l y s i st h et e m p e r a t u r ef i e l d f o r w e l db a s i cm o d e lo fw e l dt oo b t a i nm em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ． T h e ns 0 1 V i n gb a s i cd i s 仃i b u t i o nf o re a c hw e l db e a da c c o r d m gt od i f - f e r e n t w e l d i n gs e q u e n c e ．S o l V i l l gm em h e r e n ts t r a md i s t r i b u t i o no b t a i l l e do nm e i n h e r e n ts t r a me x p r e s s i o n sw h i c hh a V et 1 1 em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n d c o n s t r a i n t s ．0 b t a i n e dt h ee q u i V a l e n t1 0 a db yi n t e g r a t i l l gm e e q u i V a l e n tl o a d ． S e c o n d l y ，t h ee q u i V a l e n tl o a da s Ⅱ1 ei n i t i a l l o a di s 印p l i e dt ot h e “1 1 i n g 仔锄e ，a n dt h er e s u l t so ft h e 血1 1 i n g 矗锄ew e l d i n gd e f o m a t i o na r eg o ta R e ra e l a s t i cf m i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n ． W e l d i l l g d e f o n n a t i o nr e s u l t ss h o w e d D r i l l m g 仔a m ec h a m l e l f l a n g eh a d a w a v y ”d i s t o n i o n ， t 1 1 ec l o s e ro f r e c t a l l g u l a rs t e e l ，m eg r e a t e r 也ea m o u n to fd e f o m l a t i o n ；d r i l l i n g 龟m l eh a s 1 0 n g i t u d i n a la s y m m e t l 了，r e s u l t m g t o r s i o n a ld e f o m a t i o na n dt o r s i o n a l d e f o m a t i o nh a s 伊e a t e ri m p a c to ni s o 仃o p i cd e f o m a t i o n ；d r i l l i l l g 觑n 1 1 ef i x e d a tb o m e n d s ，铲a v i t a t i o n a ld e f ．o m l a t i o n 鲈e a t e ri n l p a c to nd r i l l i n g 仔a m e ． F i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nw i d ma n dm e a s u r e dv a l u e si nt 1 1 es 锄ec h a n n e l n a l l g e a n dc o 玎e s p o n d i n gt oad i f f e r e n tc h a n n e lf l a n g ew i d ms i m u l a t i o na n d Ⅲ 万方数据 m e a s u r e dv a l u e s p l o t t e db e t w e e nn a n g e sc o n l p a r a t i V ea n a l y s i s ，m er e s u l t s s h o w e dt 1 1 a t m ep r e d i c tr e s u l t so fm ed r i l l i n g 矗a m ew e l d i n gd e f o m a t i o ni s r e l a t i v e l ya c c u r a t eb a s e d o nm ei n h e r e n ts 仃a i l lm e o 叫． T h i sp 印e rm m l e rp r o p o s e su s i n gm ef i x t u r et 0 0 1 i n gc o n t r 0 1t h e 锄。眦o f w e l d i n gd e f o m a t i o n ，f l n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o w e dt h a tu s i l l gm ef i x t u r e t 0 0 1 i n g ，t 1 1 ed e f o m l a t i o no f e a c hd i r e c t i o no fd r i l l i n g 仔a m ea r e 旷e a t l yr e d u c e d ， a n de f f ．e c t i v e l yr e d u c e sm ei n f l u e n c eo f 觥i t yo nm ed r i l l 盘a m ed e f o m a t i o n 。 K e yw o r d s i n h e r e n ts t r a i l l ；d e g r e e o fr e s t r a i n t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；e q u i V a l e n t 1 0 a d ；d r i l l i n g 仔锄eo fD o w n - T h e H 0 1 e “U C 1 a s s j f j c a t i o n T H 】6 4 Ⅳ 万方数据 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目j j 之⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 v r 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 焊接交形的分类、原因和影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 焊接变形的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 焊接变形的原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 焊接变形预测方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．1 实验法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．2 解析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．3 热弹塑性法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．4 固有应变法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 固有应变理论的发展与应用现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．5 本文的研究方法和主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．5 ．1 本文的研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．5 ．2 本文的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 焊接有限元分析的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 焊接温度场分析的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 焊接有限元分析的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 。1 ．2 焊接温度场的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．3 温度场基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 ．4 温度场的变分问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．5 温度场的有限元方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 2 ．1 ．6 时间域的离散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 热弹塑性分析的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 热弹塑性分析的特点和假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．2 热弹塑性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 。2 3 热弹塑性问题的求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 2 ．3 固有应变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．1 固有应变的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．2 固有应变的生成原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．3 约束度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 基本焊道焊接变形有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 概j 苤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 ．1 几何模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．2 单元类型的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 ．3 网格划分和约束条件的加载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．4 焊接材料特性参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2 ．5 换热系数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 V 万方数据 3 ．2 ．6 相变潜热的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 焊接热源模型的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 ．1 平面分布热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 ．2 体积分布热源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．4 热弹塑性有限元计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 焊接参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 ．2 温度场求解结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．4 ．3 焊接变形云图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．5 焊接工艺参数对焊接变形的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．5 ．1 焊接工艺参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．5 ．2 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 基于固有应变的钻架焊接变形预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 约束度的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 固有应变的求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 。1 固有应变的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．2 固有应变的分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 固有应变的等效载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 钻架焊接变形预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．5 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 实验验证与工艺优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 实验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1 ．1 实验内容和目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 5 ．1 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．1 ．3 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．1 ．4 实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．2 焊接工艺优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．3 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．2 课题展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 至5 【谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 l Ⅵ 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的背景和意义 潜孔钻机是利用潜入孔底的冲击器对岩石进行冲击破碎的钻孔机械，广泛用于采 矿作业和建筑爆破。与常见的凿岩机相比，潜孔钻机具有钻孔深，钻孔直径大，钻孔 效率高，适应范围广等特点，是当前通用的大型凿岩设备[ 1 ‘3 】。国内潜孔钻机的研究起 步较晚，最早生产于上世纪5 0 年代，通过国家不断地投入和自身的发展，钻机性能 和技术含量大幅提高【4 ’5 】。 图卜1T D l 6 5 C H 型露天潜孔钻机 T D l 6 5 C H 型露天潜孔钻机 如图卜1 所示 采用凿岩、供气、动力三位一体化设 计，采用高气压凿岩，全液压驱动，配备电动机动力的凿岩液压系统和柴油机动力的 履带行走系统，自带高压螺杆空压机，具有凿岩参数自动控制功能，配备钻孔导向和 接卸杆机构、湿式除尘装置以及微增压空调驾驶室，可满足各类凿岩时钻凿直径① 1 5 2 ～①1 6 5 I I l Ⅱl ，深度3 0 m 的炮孔，具有结构紧凑，性能先进，高效低耗，稳定、可靠， 操作、维护简便等特点，是国内领先的穿孔凿岩设备。其主要性能参数如表卜1 所示。 T D l 6 5 C H 型潜孔钻机的钻架 如图1 2 所示 是关键承载部件，受力工况复杂， 还受高频冲击振动的影响。钻架又是关键的运动承载部件，有较高的精度要求，以保 证装配在其上的动力头导轨和滑架能够正常滑动。钻架主要通过型钢焊接加工而成， 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 钻架的焊接质量和精度很大程度上决定了潜孔钻机作业的可靠性和耐久性，如果钻架 焊接变形过大，钻机将因动力头导轨和滑架无法运动而不能工作。T D l 6 5 C H 型潜孔钻 机的钻架长度大，截面积相对较小，细长比大，焊接的零部件多，焊道数量多，焊接 的质量和精度难以保证。虽然钻架可以通过焊后的一些检测矫正手段控制变形和残余 应力，但这需要耗费大量的人力、物力，甚至矫正的工作量比焊接过程的还要大，事 倍功半【6 】。如果焊接变形矫正后达不到质量和精度要求，将导致整个钻架不能使用， 不仅造成巨大浪费，而且延长钻机的制造周期。为了优化钻架的焊接工艺，正确选用 焊接材料和焊接方法，以保证较高焊接质量和精度，钻架的焊接残余应力和焊接变形 预测显得尤为重要。 表卜1T D l65 c H 型露天潜孔钻机主要性能参数 图卜2 钻架及其组成 然而，焊接过程是一个非常复杂的过程，不仅涉及冶金学、热力学，还涉及流体 力学、固体力学和电磁学等多学科r 7 1 。传统方法仅依靠经验公式对焊接变形很难进行 准确预测，特别是复杂结构。近年来，运用有限元方法对焊接变形进行数值模拟取得 了重大突破，对复杂结构的焊接变形进行准确预测有了实现的可能。计算机技术和有 限元理论的发展，使热弹塑性有限元法、固有应变法得到广泛应用。从理论上讲，可 以采用热弹塑性有限元法和更加符合实际生产过程的焊接参数，对涉及多种过程相互 耦合的复杂有限元模型的焊接过程进行有限元分析，并求解得到较为准确的分析结果 2 万方数据 硕士学位论文1 绪论 【8 。10 1 。然而对整个焊接过程进行模拟分析，需要庞大的计算机资源作为支撑，对于大 型结构件来说，这是不经济和不现实的。本文基于固有应变理论，避开模拟整个焊接 过程，利用较少的计算机资源进行一次弹性运算，就能得到基本符合实际情况的结果。 综上所述，有效的经济的对钻架的焊接残余应力和变形进行预测，对指导钻架焊 接工艺的优化，焊接材料和焊接方法的选用，焊道顺序的选择，保证钻架的焊接质量 和精度，具有重要的意义。 1 ．2 焊接变形的分类、原因和影响因素 1 ．2 ．1 焊接变形的分类 焊接过程异常复杂，焊接变形也多种多样，基本上包括纵向变形、横向变形、 弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等【1 1 】，如图1 ．3 所示。焊接变形是多种因素 同时作用的结果，主要包括焊件温度分布不均；熔敷金属收缩；焊接接头相变及工 件约束度等【1 2 - 1 3 1 。 a 级向t 殳绩 b 横向收缩 c 角变形 一一 d 弯蠡变形 e 波浪变形 f 扭曲变形 图卜3 焊接变形分类 1 ．2 ．2 焊接变形的原因 加热过程中，焊件上的焊接点被焊接热源迅速加热到熔化温度，焊件的温度分布 极不均匀，且存在很大的温度梯度，因此，焊件上各点的膨胀不一致，焊接点附近， 温度高，膨胀大，受邻近区域约束，膨胀受阻，形成压应力；远离焊接点区域温度低， 膨胀小，因约束焊接点附近高温区的膨胀，形成拉应力【l 引。 冷却过程中，焊缝区域熔化金属体积收缩，而其邻近区域的母材限制其收缩，在 焊缝区域形成拉伸应力，而邻近区域的母材形成压缩应力【l5 | 。 焊缝及其附近在高温作用下，屈服强度极低，热应力的作用使其产生塑性变形， 冷却后，此区域形成残余应力和残余变形【l 6 | 。 万方数据 硕士学位论文 1 绪论 1 ．2 ．3 焊接变形的影响因素 焊接变形的影响因素包括焊接热输入、焊接方法、焊件的预热温度、焊缝截面 积和接头形式等。其中，通常情况下，热输入越大，塑性变形区越大，且对各向变形 影响效果一致；采用的焊接方法不同，焊接热源存在很大差异，即使其他焊接工艺参 数相同情况，收缩变形量依然相差较大；焊件的预热温度适当可减小收缩变形，但超 过一定界限，则预热温度越高，收缩变形越大；焊缝截面积对各类变形的影响效果基 本一致，随着焊缝截面积增大，塑性变形量增大大；焊接接头的形式影响焊接方法的 选用、焊缝截面积和焊接热输入等因素条件，所以不同的焊接接头形式对纵向、横向 及角变形量影响效果不同。 1 ．3 焊接变形预测方法概述 早期焊接变形的研究主要根据试验得出经验公式，只能解决一些较为简单的问题 【”】。随着计算机技术和有限元理论的发展，现在主要依靠有限元数值模拟对焊接变形 进行研究。焊接变形的研究方法先后出现了实验法、解析法、热弹塑性有限元法和固 有应变法等【1 8 】。 1 ．3 ．1 实验法 实验法是人们通过试验或者在实践过程中建立大量的数据库，对数据库分析研究 后建立经典公式或者曲线图谱，并以此来估算焊缝的各种变形量【1 9 1 。实验法都是以某 一特定条件为前提，对焊接中的基本结构进行实验，得到数据建立经典公式和曲线图 谱。对焊接变形进行预测时，将焊接件中的基本结构进行分解，按照叠加原理对焊件 进行焊接变形预测。而实际焊接过程中，焊接件的结构往往是由多种基本结构组合而 成，甚至更加复杂，焊接工艺参数的确定更是受各种因素的影响。基本结构之间的相 互影响和作用是复杂的，通过简单的叠加所得到的焊接变形结果是很不准确的，所以 实验法只能用于预测简单结构的某种特定变形情况。实验法所需要的数据库同样要耗 费大量的人力、财力，从经济性的角度看，也难以推广。 1 ．3 ．2 解析法 解析法又叫弹性理论方法，它以焊接热传导理论、结构力学理论等为理论基础，只 考虑残余塑性应变【2 0 1 。且该方法基于平面假定等，所以一般只用在一些简单的焊接构 件，对复杂的构件不适用。 1 ．3 ．3 热弹塑性法 热弹塑性法是利用热弹塑性理论对根据实际焊件建立的实体模型在焊接过程中 的温度场和应力应变场进行有限元数值模拟。热弹塑性法能同时考虑各种重要因素的 4 万方数据 硕士学位论文 l 绪论 影响，能考虑温度场和应力应变场的相互耦合作用，能对焊接过程中的结构的整体力 学行为进行模拟，并综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性，以 及显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响。热弹塑性法能模拟焊接热源的移动 及其形成的瞬态温度场、应力应变场，能模拟焊接材料的填充过程，得到比较精确的 结果【2 1 1 。但热弹塑性法求解过程复杂，计算量大，对计算机资源要求高。 1 ．3 ．4 固有应变法 固有应变法是利用热弹塑性理论或实验得到基本焊接结构的焊缝区域的固有应 变，再将固有应变作为初始载荷施加于复杂焊接结构上，进行一次弹性计算就能较为 准确的焊接变形结果。因为热弹塑性法对于大型复杂焊接结构进行模拟时，是对整个 焊接过程热力学行为的模拟，是求解非线性方程组的过程，需要耗费大量的计算机资 源和计算时间，在实际生产过程中，这种方法不便于广泛应用和计算成本较高。日本 学者提出固有应变的概念，固有应变是热应变、塑性应变与相变应变三者之和【Z 2 J 。一 般认为固有应变是焊接残余应力源和焊接变形源，分布于焊缝及其热影响区附近【2 引。 在实际焊接结构的变形预测中，使用固有应变理论是求解线性方程组，很容易由有限 元分析求得焊接残余应力和焊接变形的分布。 1 ．4 固有应变理论的发展与应用现状 1 9 7 6 年，S a t o hK 在试验研究的基础上得出了低碳钢、铝合金及不锈钢等不同材 料制造的焊接结构中残余应力、角变形、横向收缩与焊接热输入之间的简单关系式【2 5 】 日本大阪大学焊接研究所在计算机辅助线状加热薄板成型方面取得了很多研究成果， 发表了众多重要的论文。Y u k i oU E D A 等对复杂曲面成型也进行了研究，得到了角应变 分布图和平面应变分布图。 国内对固有应变的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初，上海交通大学和西安交通大学 等利用焊接热弹塑性理论进行了一系列研究工作【2 6 】。其中，在1 9 8 5 年上海交通大学 出版社出版了数值分析在焊接中的应用，介绍了当时国内外对固有应变理论的研 究成果。上海交通大学开发了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑件有限元分析程序， 并成功应用于薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面。西安交通大学与沪东造船厂合 作，在单面焊终端裂纹的产生机理和防止方面进行了实验和研究，取得了显著成效。 近年来，上海交通大学与日本大阪大学共同研究了三维焊接变形和焊接应力问题，对 收敛条件和计算精度的改进提出了若干途径，进一步改进了三维焊接分析程序，且研 究成果已实际应用于压缩机焊接变形、轿车液力变矩器焊接精度控制、预测核电凝汽 器焊接变形等方面。 万方数据 硕士学位论文1 绪论 1 ．5 本文的研究方法和主要内容 本文基于固有应变理论，运用等效载荷法对潜孔钻机钻架的焊接变形进行研究和 预测。 1 ．5 ．1 本文的研究方法 本文对钻架进行抽象和简化，建立基本焊道模型，采用热弹塑性理论求解其固有 应变分布，再对固有应变积分求得等效载荷，将其施加于钻架上求解钻架变形。主要 求解步骤包括 1 、采用热弹塑性理论求解基本焊道模型在焊接过程中的最高温度分布； 2 、利用基本焊件角焊接的约束度和单位载荷法求解基本焊道模型中各焊道的约 束度； 3 、固有应变为最高温度和约束度的函数，将最高温度分布和约束度分布代入固 有应变表达式可求得固有应变分布； 4 、对引起不同收缩的固有应变成分进行分类，并分别积分求得相当于焊接热作 用的等效载荷； 5 、将等效载荷作用于钻架上，求解钻架变形。 运用以上方法，只要进行一次弹性运算就可得到比较准备的变形结果，而且大大 减少了对计算机资源的要求。 1 ．5 ．2 本文的主要内容 本文的主要内容是围绕基本焊道模型和钻架进行有限元分析展开的。对基本焊道 模型的有限元分析包括 1 、采用热弹塑性理论，对基本焊道模型进行温度场分析。分析过程中，考虑焊 接材料特性参数随温度变化、相变潜热和换热系数等因素的影响； 2 、对基本焊道模型的各条焊道进行内部和外部约束度计算，内部约束度利用插 值法在基本焊件角焊接约束度图中直接选取，外部约束度考虑不同焊接顺序对约束度 的影响； 3 、引入杆．弹簧模型，推导固有应变表达式，其为最高温度和约束度的函数，根 据基本焊道模型温度场分析中最高温度分布和约束度分布，求得各焊道的横向固有应 变和纵向固有应变； 4 、分别对横向和纵向固有应变积分，求得各焊道的横向和纵向等效载荷。 对钻架模型的有限元分析包括 1 、将横向和纵向等效载荷施加于钻架上，经过一次弹性计算，得到钻架变形结 果，并对钻架的各向变形进行分析； 2 、考虑重力和夹具工装对钻架焊接变形的影响，优化焊接工艺。 6 万方数据 硕士学位论文 2 焊接有