基于有限元分析的叉车门架焊接变形研究.doc

1、基于有限元分析的叉车门架的焊接变形研究摘要：焊接是牵涉到电弧物理、热传导、冶金和力学的复杂过程。过去，生产中的焊接变形主要凭借经验，其规律往往难以预测和控制。通常，预测焊接变形的方法是采用热弹塑性有限元法，近年来，国内外采用热弹塑性有限元法来分析焊接变形取得了很大的成功，但是这种方法往往需要大容量的计算机和很长计算时间，对于较复杂的三维焊接结构，这种方法即使可能也是不经济的。本论文研究的是柳工CPCD30叉车外门架的焊接变形趋势。本论文通过使用大型有限元软件ANSYS,以固有应变为理论基础较全面的对CPCD30叉车外门架总成的焊接变形进行分析，为以后叉车门架的焊接工作提供有效的参考数据。关键词

2、：焊接变形，CPCD30叉车外门架，固有应变，有限元Based on the finite element analysis of the forklift truck door frame welding deformation researchAbstract: Arc welding is involved in physics, the complex process of heat transfer, metallurgy and mechanics. In the past, in the production of welding deformation mainly depen

3、d on experience, the rules are often difficult to predict and control. Usually, the prediction method of welding deformation is the thermal elastic-plastic finite element method is adopted, in recent years, domestic and international thermal elastic-plastic finite element method (fem) is used to ana

4、lysis of welding deformation has achieved great success, but this method often require large capacity computer and a long calculation time, for more complex 3 d welding structure, this method even if may also not economic. This paper studies the liugong CPCD30 welding deformation tendency of forklif

5、t truck outside door frame. By using large-scale finite element software ANSYS, this paper based on the theory of inherent strain of welding deformation of CPCD30 forklift outside door frame assembly is analyzed, for the forklift truck door frame welding work provides effective reference data.Key wo

6、rds: welding deformation, CPCD30 forklift outside door frame, the inherent strain, the finite element method目 录 1 绪论1.1 课题来源、目的和意义11.2 课题研究的背景11.3 焊接变形的研究方法31.4 焊接变形研究中常用的软件51.5 国内外焊接变形研究的历史与现状61.5.1 国外焊接变形研究与发展状况61.5.2 国内焊接变形研究与发展状况81.6 本论文研究的内容81.7 本章小结92 焊接数值模拟软件的选用及其主要功能102.1 ANSYS软件的简介102.2 ANS

7、YS程序功能112.3 ANSYS程序单元类型132.4 ANSYS软件在焊接变形分析中的应用132.5 ANSYS软件在焊接固有应变法中的应用142.6 本章小结143 CPCD30叉车外门架焊接变形模拟分析153.1 用ANSYS软件进行有限元分析的典型过程153.2 CPCD30叉车外门架的主要分析指标153.3 基于UG/CAD的外门架三维实体建模173.4 叉车外门架的材料属性183.5 叉车外门架有限元模型的建立与仿真193.5.1 叉车外门架固有应变的计算193.5.2 模型的导入243.5.3 定义接触243.5.4 定义模型材料属性和片体厚度253.5.5 叉车外门架有限元模

8、型单元的选择253.5.6 叉车外门架网格的划分263.5.7 边界约束条件和加载283.5.8 外门架焊接变形模拟计算283.6 外门架左右滑道内侧面和左右滑道上侧面变形分析313.6.1 外门架左右滑道内侧面X方向变形分析313.6.2 平行度的定义及检测方法333.6.3 左右滑道内侧面平行度误差分析353.6.4 左右滑道上侧面平行度误差分析373.7外门架焊前措施的采取383.7.1 外门架焊前反变形措施的采取383.7.2 外门架左右滑道X方向变形分析423.7.3 左右滑道内侧面平行度误差分析433.7.4 左右滑道上侧面平行度误差分析443.7.5 上横梁与挂链座单独焊接时外门

9、架焊后变形趋势463.8 本章小结48结论49参考文献51致谢541 绪论1.1 课题来源、目的和意义（1） 课题的来源本课题内容为基于有限元分析的叉车门架的焊接变形的研究。由于叉车类型众多，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。（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

10、采取措施提供有效可行的参考依据。（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，限制了企业叉车市场的占有额和利润空间。本课题以研究CPCD30型

11、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，汽车和铁路车辆的运转；（3）提高仓库容

12、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领先地位，同时带动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残余应力是同时存在的，有时焊接残余变形的

13、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。为此叉车门架的焊接变形一直是困扰该企业叉车设计部门

14、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算机在焊接中应用方面的文章49篇。本论文

15、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）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