基于有限元和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焊接過程數(shù)值模擬.pdf

1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要在弧焊過程中金屬構(gòu)件由于經(jīng)歷了不均勻的加熱冷卻過程，產(chǎn)生了焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，這些應(yīng)力和變形的存在不但嚴(yán)重地影響了焊接結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力、疲勞強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性，還降低了焊接結(jié)構(gòu)的剛性和承載能力，而焊接電流、電壓、焊接速度、材料、板厚等都對焊接殘余應(yīng)力和殘余變形有很大的影響。因此，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)是減小、控制焊接殘余變形和殘余應(yīng)力一種有效手段。本文以AZ31鎂合金板和945鋼板為研究對象，在物理實(shí)驗(yàn)和有限元

2、分析的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了不同的工藝參數(shù)對TIG平板對接焊過程產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的影響，并使用現(xiàn)代分析測試手段，對AZ31B鎂合金和945鋼板的焊接溫度場、殘余應(yīng)力場和位移場進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，焊接殘余應(yīng)力隨板厚的增加而增大:隨焊接電流的增大而增大隨焊接速度的增大而減小而焊接殘余變形隨板厚的增加而減小，隨焊接電流增大而增大:隨焊接速度的增大而減小:分段焊(如文中所指焊接順序)產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形比連續(xù)焊

3、都要小。因此在保證焊透的情況下，在實(shí)際生產(chǎn)中采用小電流、高速分段焊能有效的減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。為了實(shí)現(xiàn)快速有效的選擇焊接參數(shù)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，提高焊接速度和經(jīng)濟(jì)效益，本文開發(fā)了一套人機(jī)界面友好的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的預(yù)報(bào)系統(tǒng)軟件，將有限元分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嵌入其中，通過該預(yù)報(bào)系統(tǒng)不但可以得到不同工藝參數(shù)組合下的最大焊接殘余變形和殘余應(yīng)力值，同時(shí)還可以得到最大焊接殘余應(yīng)力和殘余變形隨不同焊接工藝參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)曲線圖。對實(shí)際生產(chǎn)具有一定

4、的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:TIG平板對接焊有限元人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)焊接殘余應(yīng)力和殘余變形工藝參數(shù)優(yōu)化第1童緒論第一章緒論1.1選題的背景及意義隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益增多，尤其在造船、航天航空、交通、化工、核工業(yè)等領(lǐng)域中，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用尤為廣泛[1I焊接結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一是構(gòu)件在焊接過程中和焊后容易產(chǎn)生應(yīng)力和變形。工件受高度集中的瞬時(shí)熱輸入，工件內(nèi)的溫度分布極不均勻，并隨著焊接過程進(jìn)行而發(fā)生變化，在整個(gè)焊接過程，焊縫金屬及靠近焊縫的母

5、材區(qū)內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變演變，并導(dǎo)致整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件發(fā)生整體變形。焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形不但可能降低結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕性，而且在一定條件下影響結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。因此在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)必須充分考慮焊接應(yīng)力和焊接變形問題[21?？梢?，對焊接殘余應(yīng)力和殘余變形進(jìn)行計(jì)算和分析有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。而焊接過程局部集中的熱輸入，使焊接結(jié)構(gòu)件形成非常不均勻、不穩(wěn)定的溫度場，它直接影響和決定了焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。因此，由極不

6、均勻的焊接溫度場是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形的根本原因.鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)是在惰性氣體的保護(hù)下，利用鎢電極與工件之間產(chǎn)生的電弧熱來熔化母材和填充焊絲的一種焊接方法。由于氫氣能有效的隔絕周圍的空氣，它本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)，交流鎢極氫弧焊過程中，電弧斑點(diǎn)還有自動(dòng)清除工件表面氧化膜的作用，因此，該焊接工藝在焊接易氧化，化學(xué)活潑性強(qiáng)的金屬中得到廣泛的應(yīng)用。鎢極氫弧焊設(shè)備由焊接電源、引弧及穩(wěn)弧裝置、焊槍、供氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、程序控

7、制裝置、工作臺裝置等組成的。影響鎢極氮弧焊焊接應(yīng)力和焊接變形的因素有很多。如焊接電流、焊接速度、焊接順序、工件厚度以及電弧電壓、鎢極的直徑和形狀、電流的種類、電流極性等。為了控制和減小焊接結(jié)構(gòu)件的焊接殘余變形和焊接殘余應(yīng)力，很重要的是應(yīng)根據(jù)焊接構(gòu)件實(shí)際情況，合理的選擇焊接規(guī)范參數(shù)。選擇參數(shù)要根據(jù)材料的物理和冶金性能，先參考現(xiàn)有的資料選擇鎢極的直徑與形狀、氫氣的流量與噴嘴的直徑、焊接電流、焊接速度和焊接順序等，然后進(jìn)行多次的試焊，再根據(jù)試

8、焊的結(jié)果調(diào)整有關(guān)的參數(shù)，直至符合要求為止。這種以實(shí)驗(yàn)的手段作為基本方法來選擇焊接規(guī)范參數(shù)，不僅花去了大量的時(shí)間，而且還花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。因此在保證焊接質(zhì)量的前提下，如何快速有效的確定焊接參數(shù)是一重要的課題。數(shù)值模擬的發(fā)展為我們提供了一種強(qiáng)有力的解決焊接參數(shù)選擇的手段。模擬是利用各種手段再現(xiàn)某一客觀過程，以得到對該過程的發(fā)展規(guī)律更深認(rèn)識并加以控制的方法[31.尤其是隨著計(jì)算硬件和計(jì)算軟件的豐富，數(shù)值模擬在工藝預(yù)測、性能預(yù)測方面