基于有限元分析的叉车门架的焊接变形研究.doc

1、目录1 绪论11.1 课题来源、目的和意义11.1.1 课题的来源11.1.2课题的目的11.1.3 课题研究的意义11.2 课题研究的背景11.3 焊接变形的研究方法21.3.1 建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式31.3.2 基于一维解析的残余塑变法31.3.3 热弹塑性有限元法31.3.4 残余塑变有限元法（固有应变法）31.4 焊接变形研究中常用的软件41.5 国内外焊接变形研究的历史与现状41.5.1 国外焊接变形研究与发展状况41.5.2 国内焊接变形研究与发展状况61.6 本论文研究的内容61.7 本章小结72 焊接数值模拟82.1 有限元法简介82.2 焊接有限元分析简介9

2、2.3 有限元的基本理论102.4 弹性力学有限元分析基本理论132.4.1 一点应力状态132.4.2 应变一位移方程142.4.3 应力一应变方程142.4.4 虚功原理152.5 壳单元基本算法162.5.1 Shell181壳单元162.6 固有应变理论212.6.1 固有应变有限元法212.6.2 固有应变有限元法的计算机制252.6.3 固有应变的施加方法262.7 本章小结263 焊接数值模拟软件的选用及其主要功能273.1 ANSYS软件的简介273.2 ANSYS程序功能283.3 ANSYS程序单元类型293.4 ANSYS程序材料类型293.5 ANSYS文件系统293.

3、6 ANSYS软件在焊接变形分析中的应用303.7 ANSYS软件在焊接固有应变法中的应用313.8 本章小结314 CPCD30叉车外门架焊接变形模拟分析324.1 用ANSYS软件进行有限元分析的典型过程324.2 CPCD30叉车外门架的主要分析指标324.3 基于UG/CAD的外门架三维实体建模334.4 叉车外门架的材料属性344.5 叉车外门架有限元模型的建立与仿真354.5.1 叉车外门架固有应变的计算354.5.2 模型的导入394.5.3 定义接触394.5.4 定义模型材料属性和片体厚度404.5.5 叉车外门架有限元模型单元的选择414.6.6 叉车外门架网格的划分424

4、.5.7 边界约束条件和加载434.5.8 外门架焊接变形模拟计算434.6 外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面变形分析454.6.1 外门架左右滑道内侧面X方向变形分析454.6.2 平行度的定义及检测方法474.6.3 左右滑道内侧面平行度误差分析494.6.4 左右滑道上侧面平行度误差分析504.7外门架焊前措施的采取514.7.1 外门架焊前反变形措施的采取514.7.2 外门架左右滑道X方向变形分析544.7.3 左右滑道内侧面平行度误差分析544.7.4 左右滑道上侧面平行度误差分析564.7.5 上横梁与挂链座单独焊接时外门架焊后变形趋势574.8 本章小结58结束语59致谢6

5、1参考文献62附录641 绪论1.1 课题来源、目的和意义1.1.1 课题的来源本课题内容为广西柳工机械股份有限公司叉车事业部叉车门架焊接变形趋势的研究。由于该企业叉车类型众多，基于毕业设计时间的考虑不能一一研究，故选择具有代表性的CPCD30叉车外门架的焊接变形趋势就行研究分析。1.1.2课题的目的 在叉车的运输装卸过程中，叉车门架作为主要的支撑和导向部件，对叉车的工作性能和工作平稳的可靠性有着重要的影响。本论文通过对CPCD30叉车外门架焊接总成时的变形趋势和结果进行数值模拟分析，立足于半外门架模型，通过计算机模拟分析来了解CPCD30叉车外门架的焊接变形趋势，为叉车外门架焊接前采取措施提

6、供有效可行的参考依据。1.1.3 课题研究的意义 统计资料表明，焊接结构件在叉车整机重量中的比重占到40 左右。由于种种原因，许多叉车主机厂把叉车焊接件作为自己的核心自制件。叉车的主要三大焊接结构门架、车架和桥体，各叉车厂家在引进国外先进技术的过程中又不断进行技术改造和创新，力求使自己的产品在市场上占据优势，为企业的发展注入动力。现在随着广西柳工机械股份有限公司叉车产量的不断增加，原来的生产工艺已经不能很好的满足生产所需，再加上市场原材料价格的不断上升，矫正变形及机械加工费用的持续提高等生产成本的提高，这些因素很大程度上制约了大吨位叉车的生产和销售，限制了该企业叉车市场的占有额和利润空间。本课

7、题以研究CPCD30型叉车外门架的焊接变形为基础，探索数值模拟技术中固有应变理论在焊接预测和控制方面的应用，力求提高叉车外门架的焊接质量，为大型部件焊接后能够不加工提供了一种可行的参考方法和依据，达到降低生产成本和减少生产时间的效果。1.2 课题研究的背景叉车作为通用的起重运输机械，主要用于车站、仓库、港口和工厂进行成件包装货物的装卸和搬运，在配备其它工具以后，还能用于散堆状货物和非包装货物的装卸作业。换而言之叉车主要有如下优点和用途：（1）、实现装卸搬运作业机械化，减轻工人的劳动强度，节约大量劳力，提高劳动生产效率，缩短生产时间；（2）、缩短装卸、搬运、堆码等作业时间，加快企业，汽车和铁路车

8、辆的运转；（3）、提高仓库容积的利用率，促进多层贷架和高层仓库的发展；（4）、减少货物破损，提高作业安全程度。由此可知，叉车产业的前景十分广阔，为实现柳工叉车的快速增长和收入的不断上升，2006年初柳工果断决策实施“柳工万台叉车建设项目”。该项目建成投产后，预计可完成年销售收入8亿至10亿元，争取进入国内叉车行业前三名，同时带动广西柳州叉车配套件及相关产业的发展。该项目的建成投产，将对柳工的做强做大，实现“十一五”期末达到销售总收入150亿元的目标起到重要作用。然而该公司的叉车门架在焊接中存在一定的变形，且其变形难以控制和预测，严重的影响了叉车的实用强度，精度和价值。通常，焊件的焊接残余变形和

9、残余应力是同时存在的，有时焊接残余变形的危害比残余应力的危害还要大。焊接残余变形使焊件或部件的尺寸改变，降低装配质量，甚至使产品直接报废。矫正变形是一件费时的事，会增加制造成本，降低焊接件的性能，另外由于角变形、弯曲变形和扭曲变形使得构件承受载荷时产生附加应力，从而降低构件的实际承载能力，容易导致事故发生。外门架传统的工艺是先进行焊接再矫正，但矫正后的构件存在附加应力，会降低门架的实际承载能力，降低叉车门架的使用寿命和增加生产成本。严重的焊接变形将无法矫正致使焊后变形的叉车门架成为废品，因为叉车门架的过大变形即使能进行矫正也会很容易导致门架断裂事故发生，很容易造成人员伤亡和财产损失。为此叉车门

10、架的焊接变形一直是困扰该企业叉车设计部门的瓶颈。由于计算机技术的飞速发展，特别是近些年来微机技术的不断进步，如其存贮容量，运算速度以及图形显示等功能都在不断增强，而价格则进一步降低，这为计算机更加广泛的应用和普及提供了可行的前提条件。计算机在焊接工程中的应用国内外也取得了很大的发展和长足的进步。国内于1987年和1988年分别在西安和上海召开了第一届和第二届全国数值分析和CADCAM 在焊接中应用的交流会，1989年在北京举行了焊接专家系统学术讨论会，1992年在太原召开了计算机在焊接生产中应用的学术和技术交流会，1993年在青岛第七届全国焊接年会上，数值分析和CADCAM 研究组共收到有关计

11、算机在焊接中应用方面的文章49篇。本论文将参考有关焊接变形的论文和著作，运用数值模拟技术分析叉车外门架在焊接总成后常出现的一些焊接变形问题。1.3 焊接变形的研究方法对于焊接变形的预测和控制，过去大多是基于经验或是简化的计算方法,只能用于简单的板或梁等焊接结构件，对稍微复杂的焊接结构件往往就显得无能为力。最近发展起来的热弹塑性有限元法从原理上可以解决任何复杂焊接件结构变形的问题，但其需要大容量计算机和很长的运算时间,因而对于大型复杂的焊接结构件即使实用也是很不经济的。从20世纪90年代开始，日本研究者把固有应变理论引入到热加工中应力和应变的研究,从而使得大型复杂结构的焊接变形得以解决，既经济又

12、快捷。实际焊接的过程是一个三维动态热弹塑性问题。如果要考虑熔池的影响，还得引入高温流体力学分析。不过仅就焊接应力与变形研究来说，目前主要有四个研究方法：1）、建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式2）、基于一维解析的残余塑变法（简称解析法）3）、热弹塑性有限元法4）、残余塑变有限元法（固有应变法）1.3.1 建立在实验和统计基础上的经验曲线与公式目前在一些焊接手册中有一些分析焊接变形的经验公式和数据。例如焊后焊缝的纵向收缩量，平板堆焊以及T型接头的角变形等。这些经验数据是在一定条件下的实验或生产实践中得到的，因此只能用于一些最简单的焊接情况，存在相当的局限性。1.3.2 基于一维解析的残余塑变

13、法前苏联的H.O.奥凯尔布朗姆用图解的形式分析了一维条件下焊接过程中应力和应变关系的变化，对了解焊接应力与变形产生的原理和本质有重要的贡献。基于一维解析的残余塑变来计算焊接变形的方法在C.A.库兹米诺夫的著作里得到了进一步的发展并形成了一个较完整的体系，然而该方法是建立在平截面假定及其它一系列简化假定的基础上的，要定量分析一些复杂构件的焊接应力与变形是十分困难的，因此以残余塑变来计算焊接变形的解析方法，仅适合用于简单的梁或平板等结构的焊接变形分析。1.3.3 热弹塑性有限元法焊接热弹塑性有限元法分为两个步骤：1）焊接传热分析；2）应力变形分析。先通过焊接传热有限元分析得到整个焊接和冷却过程中每

14、一刻工件中的温度场，再将温度数据输入到热弹塑性有限元分析程序，进行焊接变形和残余应力的分析计算。该方法的特点是可以跟踪整个焊件的焊接过程，了解构件的动态应力应变过程及焊后的残余应力与变形。该方法从原理上可以分析任何复杂结构的焊接应力与变形，但其缺点是计算量太大和计算时间太长，因而对于一些大型焊接结构还难以完全实现。对于经典的热弹塑性有限元法而言，计算机模拟焊接变形时的主要问题如下：1）、材料高温性能参数缺乏；2）、依据节点需要大内存容量的计算机；3）、复杂结构焊接问题解析需要很长计算时间，失去了工程意义。1.3.4 残余塑变有限元法（固有应变法）如前面所述，对于简单的梁或平板的焊接变形，可用残

15、余塑变进行简化的解析计算，然而对较复杂的焊接结构就无能为力。这时，固有应变有限元法是一种既能解决大型复杂结构，又是比较经济的预测焊接变形的方法，有很好的实用意义和发展前景。固有应变可以看成是产生焊接残余应力和变形的根源，用来分析和预测焊接残余应力及变形，残余塑变存在于焊缝及其附近，残余塑变的大小和分布就决定了焊接件最终的残余应力和变形。因此如果知道了残余塑变的大小和分布，把它作为焊接构件的初始应变加载到焊件焊缝及其附近，就可以采用数值模拟软件通过一次弹性有限元分析求得整个焊接件的最终焊接变形。该方法目前在国内外都取得了不少进展，具有较广阔的应用前景和实用价值。表1-1是几种常用的预测焊接变形方法的比较。表1-1几种常用的预测焊接变形方法的比较热弹塑性有限元分析方法固有应变有限元分析方法板壳单元的固有应变有限元分析方法基本方程原理塑性流动法则、虚功原理、FEM固有应变理论、FEM板壳弹性大变形理论、FEM主要步骤焊接温度场的模拟、划分网格、加载温度载荷、弹塑性分析模型准备、划分网格、加载固有应变、弹性有限元分析模型准