超高强钢点焊结构拉剪试验及数值仿真

以超高强淬火钢22MnB5搭接型点焊结构为研究对象,通过拉剪试验、光学试验和维氏硬度测试,获得了点焊结构的部分力学参数.在ANSYS中进行强度仿真,并与试验结果进行对比.结果表明,将点焊模型分为焊核、塑性环、母材三部分的有限元模型是合理的.同时仿真结果还表明点焊结构交界面的塑性环边缘处是最薄弱的位置,结构失效主要由切应力所引起,并分析了部分尺寸参数对结构强度的影响,当焊核半径、两板重叠长度与板厚越大,结构的最大Von Mises应力值就越低,但增大到一定程度后,其影响降低,为焊接工艺参数的优化提供参考.

φ300mm的大直径直拉单晶硅勾形磁场下生长的数值模拟

直径300mm硅片的生产技术是当今硅材料生产研究的重要方向之一,而晶体生长 界面的形状、温度分布、晶体中氧的浓度和均匀性等对熔体流动状态十分敏感,采用实验的方 法来测量熔体的流动、温度场分布是很困难的,因此很难通过实验的方法获得熔体的流动是如 何影响晶体生长的质量的,而数值模拟能提供熔体流动、温度分布等详细内容,为单晶硅的生 长提供有利的指导.本文采用低雷诺数的K-ε紊流模型,对直径300mm的大直径单晶硅生 长进行了数值模拟,通过熔体在有、无勾形磁场作用时的流场、温度场的分析,阐明了勾形磁 场影响熔体流动的机理.

勾形磁场下提拉法生产单晶硅的数值模拟

本文给出了提拉单晶硅时,勾形磁场强度的计算公式,并对单晶硅在有无勾形磁场情况下熔体内流场和氧的浓度分布进行了数值模拟,计算出磁场作用下磁场强度和洛伦兹力及有无磁场时流函数、垂直截面处的速度场和氧的浓度分布。通过分析表明,勾形磁场能使流动更为平稳,能有效地降低熔体内及生长界面氧的浓度,并对产生这一现象的机理作了理论分析。

交联环氧树脂热力学性能的分子模拟

为了更加真实、高效地模拟环氧树脂聚合物体系,通过分子动力学模拟的方法,研究了以双酚A二缩水甘油醚为环氧单体、间苯二胺为固化剂的环氧体系的动态交联过程.采用一种能够建立高交联度环氧树脂网络结构的算法,并对比了不同交联过程中能量的变化情况.通过记录退火过程中材料的温度-密度曲线,求得不同交联度下材料的玻璃转化温度T_g.采用了非稳态拉伸的方法获得材料应力-应变曲线,并对弹性阶段进行线性拟合进而求得拉伸弹性模量.模拟结果表明:在环氧树脂交联过程中,使用模拟退火方法能够比常规方法更快地达到更高的交联度,且分子结构更加松弛.随着交联度的升高,环氧树脂玻璃转化温度提高,最高玻璃转化温度出现在交联度为80%的体系中,约为431 K;环氧树脂拉伸弹性模量不受拉伸速率影响,但较大拉伸速率能够提高材料的屈服点,交联能够有效增强环氧树脂的力学性能;在玻璃转化温度前,随着温度的升高,交联环氧树脂的热导率降低,计算的热力学性能参数与现有理论和实验数据较吻合.

过载拉伸消除不锈钢焊接残余应力的数值分析

采用试验与数值模拟相结合的方式对过载法消除残余应力做了定量分析.采用SYSWELD软件对多层焊进行焊接模拟,得到焊接后残余应力场,将其导入Nastran软件,再进行过载拉伸模拟,研究其残余应力的变化规律.结果表明,随着过载拉伸作用的逐步增大,焊接残余应力峰值大幅降低,且焊接残余应力分布更加均匀,但是超过一定数值以后,残余应力消除的效果逐步减弱.计算结果与X射线测量结果趋势吻合,表明该数值方法是可行的.研究方法和研究结果对焊接残余应力消除提供参考.

基于响应面法的超高强钢点焊结构的尺寸优化

以超高强钢点焊结构为研究对象,使用ANSYS软件中的APDL语言进行参数化建模,对结构的静强度进行分析,与试验比较验证了模型的有效性.在此基础上建立优化模型,以结构用料最少为目标,对点焊结构中的尺寸参数进行优化,优化过程中采用响应面法将应力约束显式化,得到函数表达式,然后运用序列二次规划算法对非线性模型进行优化求解,从而有效地避免了求解缓慢和振荡的问题.此外采用C语言编写计算程序,实现了优化计算程序的自动计算,有效地提高了计算效率,优化算例表明该方法有效可行.

勾形磁场下直径300mm CZ Si熔体中氧浓度分布的数值模拟

采用低雷诺数K-ε紊流模型，考虑自然对流、晶体旋转和坩埚旋转等因素，对晶体直径为300mm，磁场强度变化范围在0～0．12T条件下，熔体硅内流场及氧的浓度分布、磁场分布等作了数值模拟．计算中采用有限体积法，运用SIMPLE(semi—implicit method for pressure linked equations)算法耦合压力和速度场，动量方程、能量方程中对流项的离散采用QUICK(quadratic upwind interpolation of convective kinematics)格式，紊动能和耗散项方程中对流项的离散采用迎风格式．数值模拟结果表明，在勾形磁场作用下，熔体硅内的流场、氧的浓度分布与无磁场作用相比有较大不同，随着磁场强度的增加，生长界面处氧的浓度降低，并且磁场确实能有效地抑制熔体内的紊流，有利于晶体生长．

采用延时修正法实施QUICK格式模拟提拉单晶体的生长

为了数值模拟提拉(又名Czochralski)法获得单晶体的生长过程,本文采用有限容积法离散控制方程,采用非均匀的交错网格避免不合理的振荡压力场,采用三阶精度QUICK(Quadratic Upwind Interpolation of Convective Kinematics)格式离散对流项,采用延时修正来实施QUICK格式获得满足主对角占优的代数方程组,采用SIMPLE(Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations)算法耦合压力和速度场,给出了基于上述方法的方程、算法,并发展了程序,计算了Wheeler标准问题,计算结果与文献相当一致,同时本算法能模拟计算高葛拉晓夫数时的流动,显示出非均匀网格QUICK格式模拟晶体生长的优越性;另外本文将这一算法运用到单晶硅的数值模拟中,计算结果令人满意。

紊流模型模拟分析旋转对提拉大直径单晶硅的影响

本文采用紊流模型对提拉大直径单晶硅时,对晶体旋转、坩埚旋转及二者共同作用三种情况下,熔体内的流线、等温线、氧的浓度分布、紊流粘性系数、紊动能等作了数值模拟,发现晶体的旋转能提高氧的径向均匀性,紊流粘性系数和紊动能随着坩埚转速的提高先增加后下降。晶体坩埚同时旋转时并不能有效降低紊流粘性系数,但能使子午面上的流动受到抑制,等温线更为平坦,有利于晶体生长。

拉剪载荷下超高强度钢点焊残余应力试验

点焊后焊接残余应力叠加工作载荷后,内部应力会重新分配.文中选用B1500HS超高强度钢薄板,制备焊接构件,并通过X射线衍射法测量焊核区、热影响区及母材区的表面残余应力.在施加拉剪载荷的情况下,分别从电极端面直径、焊接电流两方面考察点焊构件在施加拉剪载荷前后残余应力的分布情况.结果表明,点焊时电流变化对试件的残余应力有一定影响;电极端面直径增加使得焊核区的残余应力增大.施加拉剪载荷后,残余应力在焊核与热影响区有所释放,远离焊核区的释放较小.

真空灭菌器力学性能的实验和数值模拟分析

特种设备检测中发现一些真空灭菌器在远未达到使用寿命时,灭菌器的内壁就出现断续的裂纹,大部分集中在加强筋与内壁的焊缝处。为追寻其力学原因,采用电测法对真空灭菌器进行应力测试;然后使用MSC.Patran&MSC.Nastran数值分析软件进行力学分析。与实验所测的应力结果进行对比,结果表明数值解与实验结果非常吻合。此外,研究了真空灭菌器内壁的折弯圆弧半径的大小对应力的影响,得出半径的大小对内壁应力分布的影响很小。因此,为了扩大内腔的容积,在保证顺利折弯的前提下,可以选择小的半径;进而为下一步结构优化提高重要参考数据。

不同磁场对大直径单晶硅生长中的动量与热量输运影响的数值分析(英文)

本文采用紊流模型对大直径单晶硅在垂直磁场及勾形磁场作用时熔体内动量及热量输运作了数值模拟。采用有限体积法离散控制方程,采用SIMPLE((Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations)算法耦合压力和速度场。对无磁场、垂直磁场及勾形磁场作用下熔体内的传输特性进行了比较。数值计算结果表明,垂直磁场对动量及热量的分布具有双重效应。垂直磁场强度过大,不利于晶体生长。随着勾形磁场强度的增加,熔体内子午面上的流动减弱,并且紊流强度也相应降低。

数值模拟自然对流对直拉单晶硅的影响(英文)

在直拉单晶硅生长的过程中,自然对流对晶体界面的形状、温度场及应力分布影响很大。本文采用二维模型对熔体内自然对流对单晶硅的影响作了数值模拟,在低雷诺数时采用层流模型,高雷诺数时采用紊流模型,Gr的变化范围从3×106到3×1010,这样涵盖了从小尺寸到大尺寸的直拉单晶硅生长系统。数值结果表明熔体的流动状态不仅与熔体的Gr有关,还与熔体高度和坩埚半径的比值密切相关。当Gr>108时,熔体内确实存在紊流现象,层流模型不再适合,随着Gr的增大,紊流现象加剧,轴心处的等温线变得更为陡峭,不利于晶体生长。

过载法消除矩形压力蒸汽灭菌器焊接残余应力的数值分析

灭菌器的内腔通常由奥氏体不锈钢焊接而成,焊接残余应力与腐蚀介质共同作用,具有较高的应力腐蚀倾向,降低残余应力可减轻应力腐蚀。采用SYSWELD软件对奥氏体不锈钢矩形压力蒸汽灭菌器进行包括对接焊、搭接焊、T型焊三种焊接方式的数值模拟,得到焊后残余应力的分布;将焊接模拟结果导入到NASTRAN软件中,对灭菌器夹套和内壁进行加压卸载模拟,得到加压卸载后残余应力的分布。分析其残余应力变化规律,结果表明:过载法能有效改善矩形蒸汽灭菌器残余应力的分布情况;316L更容易通过加压卸载方法消除残余应力。

矩形压力容器焊接残余应力的数值分析

焊接残余应力导致由奥氏体不锈钢焊接而成的压力容器接头处成为事故多发部位。为研究其残余应力分布情况,本文通过SYSWELD软件建立了有限元模型,并进行了包括3层对接焊、搭接焊、T形焊等3种方式的数值模拟,得到了焊后残余应力的分布及数值,即在焊缝处残余应力为拉应力,从焊缝区向母材区过渡为压应力。数值分析表明,在相同焊接工艺以及材料的条件下,T形焊等效残余应力比搭接焊小;焊缝焊后受热会导致残余应力分布发生变化。通过X射线衍射仪对实体焊件进行残余应力测量,并将其结果与残余应力的模拟结果进行对比,发现两者的趋势与数值基本吻合,证实了数值模拟方法的正确性。

大直径单晶硅垂直磁场下的数值模拟

为了研究磁场对晶体生长界面的形状、温度、氧的质量分数分布等的影响,本文采用低雷诺数的κ-ε湍流模型,对直径为200 mm、哈特曼数分别为0、500、1000和2000的大直径单晶硅进行了数值模拟．结果表明,垂直磁场能抑制熔体中的径向对流,并在一定程度上使子午面的流动减弱,氧的轴向减小,等温线变得更为平坦．当磁场强度过高时,熔体中氧的轴向增加,湍流程度也增加．

不同工艺下超强钢点焊残余应力的试验分析

为了分析在不同工艺下电阻点焊对超强钢焊接构件内部残余应力的影响,文中试验选用B1500HS快冷淬火后的超高强钢薄板,通过德国NIMAK点焊机器人进行电阻点焊,制备焊接构件,并通过X射线衍射法测量点焊构件焊核区、热影响区、母材区表面处的残余应力,分别从电极直径、焊接电流、锻压力方面考察不同工艺对超强钢点焊构件残余应力的影响.结果表明,残余应力以焊核为中心基本呈对称分布,从焊核到母材,数值先增大后减小,在热影响区处达到最大值且为拉应力,远离焊核区降低为压应力,且拉应力最大值明显高于压应力最大值;残余应力随电极直径增大而增大;残余应力随着电流增大其最大值先增大后减小;锻压力可以降低残余应力峰值.

不同工艺下点焊残余应力的数值分析

采用SYSWELD有限元分析软件,对超强钢电阻点焊应力场进行了模拟,分析了加热及冷却过程应力变化及分布特点,同时分析了不同工艺对焊核热影响区应力的影响。结果表明,施加电流时,焊核轴向与径向均先表现为压应力,冷却后均表现为拉应力,且在热影响区外侧达到最大值;增大电极压力,最大Mises等效残余应力呈递减趋势,随着焊接电流的增加,最大Mises等效残余应力先小幅升高后大幅降低,随通电时间的增加,最大Mises等效残余应力先降低后升高。这些变化规律可以为点焊试验参数的选择提供一定参考依据。

奥氏体不锈钢单层焊与多层焊残余应力数值分析

基于SYSWELD有限元模拟技术,模拟奥氏体不锈钢对接接头单道单层焊和单道多层焊2种焊接工艺下的焊接残余应力场分布。单层焊采用大电流熔化极惰性气体保护焊,多层焊第1层采用钨极氩弧焊,中间层和表面层采用焊条电弧焊,同时对结果进行分析比较。结果发现:单道多层焊比单道单层大电流焊焊接效果好,焊接残余应力最大值分布区域更小,因为多层焊的焊接电流小,焊接层次增加使得热输入小,造成受热范围减小,同时后层焊缝对前层焊缝具有热处理的作用,因而改善了残余应力和焊接接头组织。研究方法和研究结果为对接接头的残余应力预测和焊接质量控制提供参考。

陶瓷-可伐合金钎焊件残余应力分析

钎焊冷却中产生的热应力是引起钎焊件失效的重要原因。本文采用有限元法对陶瓷-可伐合金钎焊件残余应力进行三维数值仿真,模拟了不同时刻的温度场和残余应力的分布。数值模型考虑了热传导、炉膛壁的辐射、炉膛内的对流、钎料的熔化凝固等对温度场的影响。结果表明,靠近钎缝位置残余应力最大;陶瓷一侧的残余应力数值上比可伐合金一侧的大;陶瓷边缘位置垂直钎缝方向的残余拉应力最大;增加钎料厚度和带有圆弧倒角均有益于降低试样的残余应力。