基于“局部-整体”映射法的焊接装配变形数值仿真

焊接的非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形,而焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素。本文基于"局部-整体"映射法,模拟了局部模型为T形接头角焊缝的局部塑性应变,并把结果用于薄壁箱形梁的焊接装配变形数值仿真,同时对不同焊接顺序产生的残余变形情况进行了分析和探讨,并将预测结果与焊接工艺试验结果进行了对比验证,二者吻合很好,从而为研究焊接顺序对大型焊接结构变形的影响提供了一种方法。

基于“局部-整体”映射法的大型焊接构件装配变形数值分析

大型复杂薄板类焊接结构件焊道多、热输入大、焊接时间长,进行三维非线性瞬态焊接仿真计算周期长、效率低,无法应用于工程实践,本文应用"局部-整体"映射法对汽轮机低压缸子部套大型薄板结构件进行了装配变形数值分析。开发了基于Sysweld软件HSF模块的双侧角焊缝热源模型;建立了局部结构的有限元模型并进行了瞬态非线性塑性应力分析;将宏单元装配映射到整体的薄板焊接构件中,在Pam-assembly中对整体构件进行弹性变形计算;并对焊接工艺顺序进行了优化。计算结果为大型薄板类板筋焊接构件完整性设计、制造工艺方法的选择,以及运行中的安全评定提供技术指导和理论支持。

采用局部-整体映射模型的壁板铆接变形预测

针对现有壁板铆接变形预测方法预测精度低、计算周期长的问题,提出了一种采用局部-整体映射模型的壁板铆接变形预测方法。依据壁板装配工艺流程分析,确定了引起壁板铆接变形的主要原因;结合增扩自由度法,解决了壁板铆接体-壳连接建模中的应力不协调问题,并用于构建壁板铆接局部-整体映射模型;基于局部-整体映射模型,将钉孔周围复杂的应力应变状态传递到壁板整体薄壳模型上,实现了壁板铆接变形预测。计算结果表明:在十钉铆接结构中,与全实体动态铆接模型相比,单钉的平均计算时间从55min降为15min,变形分布与大小基本相同;某壁板变形预测结果与实验结果相比,测量点的最大变形值偏差为0.062mm,平均偏差为0.01mm,相关性系数为0.898。该模型显著提高了计算效率,且具有有效性,为进一步铆接变形的控制研究提供了理论依据。

基于“局部-整体”映射有限元的大型焊接结构变形仿真研究

大型焊接结构的制造成本高,生产周期长,其焊接变形的研究的主要问题是仿真计算效率低,计算周期长。以动车组铝合金侧墙为研究对象,根据实际的焊接工艺参数,采用物理试验与仿真热源校核对比的方法,对两种焊接接头进行热源模型模拟,给出较真实的热源模型,并建立两种接头的精细三维模型,进行局部模型的仿真计算,给出其纵向及横向的焊接残余应力的分布情况,基于'局部-整体'映射有限元法,提取接头三维局部残余塑变模型,并映射到整体薄壳模型,实现动车组铝合金侧墙的焊接变形数值模拟,仿真计算结果与物理试验测试结果基本吻合,证明该方法及仿真模型的合理性,解决了实际工程中大型焊接结构的变形计算问题,为进一步焊接变形的控制研究提供实用的理论依据。

考虑横法向热应变的C^0型整体-局部高阶层合梁理论

通过考虑横法向热变形,本文建立了预先满足层间应力连续的C0型整体-局部高阶层合梁理论,并用于分析复合材料层合梁热膨胀和热弯曲问题。虽然考虑了横法向应变,不增加额外的位移变量。此理论位移场不含有横向位移一阶导数,便于构造多节点高阶单元。基于虚功原理推导了复合材料层合梁平衡方程,并分析了简支多层复合材料梁热膨胀和热弯曲问题。数值结果表明,建立的模型能准确分析复合材料层合梁热膨胀和热弯曲问题,忽略横法向应变的理论分析热膨胀问题误差较大。

高强等边角钢轴压杆局部-整体相关屈曲分析

采用ANSYS有限元软件,考虑初始缺陷和双重非线性,对25根高强等边角钢轴压杆的局部-整体相关屈曲进行了数值分析,得到其局部-整体相关屈曲的极限承载力。分析了不同的肢件宽厚比及屈服强度对局部-整体相关屈曲的极限承载力的影响,利用相关屈曲法推导了高强等边角钢轴压杆的相关屈曲建议公式。分析结果表明:相关屈曲建议公式具有合理性,可为今后的工程设计提供参考。

基于整体-局部技术的结构形状优化策略

针对大尺度结构局部形状优化设计中的求解效率与精度之间的矛盾,提出了一种基于整体-局部技术的结构形状优化方法。首先,分析并讨论了是否考虑对切割边界的边界条件进行修正的两种优化方案的优缺点。然后,提出了一种将整体-局部技术与无梯度优化法相结合的双循环优化程序。最后,通过一系列实例对双循环优化程序的实用性、效率和结果精度进行了验证分析。结果表明,提出的基于整体-局部技术的结构形状优化策略对解决大尺度结构局部形状优化问题,无论是在计算效率还是在结果精度方面,都具有很好的效果。

基于ARAP参数化算法的约束纹理映射

针对纹理映射参数化过程中几何度量的扭曲问题,文章提出了基于尽可能保形(as-rigid-as-possible,ARAP)参数化的约束纹理映射算法。运用基于局部/整体思想的ARAP算法参数化三维人脸网格,与其他算法相比,运用ARAP算法参数化后的三维人脸网格三角形角度变形和面积变形均达到最小,进而使得纹理映射的形变最小;为降低在嵌入过程中的网格扭曲程度,采用按比例嵌入的方式,不仅使映射效果更加自然,而且减少了优化次数。将多幅人脸图像作为纹理进行映射的结果表明,该方法能够取得良好的试验效果,且优化次数明显降低。

690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件承载力直接强度法研究

与有效宽度法和有效屈服强度法相比,直接强度法更简单。采用ANSYS有限元软件建立模型分析了名义屈服强度f_(y)为690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件的极限承载力,并和直接强度法、修正的直接强度法相比较。主要参数:板件宽厚比b/t=23,30,40,50和60;构件长细比λ=20,30,40,50,60,70,80和90。研究结果表明:对f_(y)=690MPa的薄壁方形截面(b/t>20)轴压构件,采用直接强度法和修正直接强度法计算时,其稳定系数采用《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的a类曲线;对长细比70≤λ≤90的构件,3种方法均偏保守;对长细比20≤λ<70的构件,在大部分宽厚比范围内,Kwon等提出的修正直接强度法能较好地预测有限元计算结果,直接强度法偏于不安全,Shen Hongxia提出的修正直接强度法偏安全。

多能互补发电系统中抽水蓄能的优化配置

为了解决多能互补发电系统中根据经验进行容量配置而导致成本高、可靠性低的问题,对风力发电机和光伏阵列的容量利用粒子群优化方法进行配置,抽水蓄能的容量利用整体-局部法进行优化配置.通过年负荷、年风能资源和年太阳能资源等初步配置其容量;再根据月负荷、月风能资源和月太阳能资源等进行校核、调整;最后,根据典型日负荷及相应的风能资源和太阳能资源等对其容量做进一步完善.以一套海岛孤网风-光-抽蓄-海水淡化系统为例,利用整体-局部法对系统中的抽水蓄能进行了优化配置.结果表明:利用年数据进行初步配置后,配置抽水蓄能机组容量为120 kW;在月校核过程中,根据月负荷失电率的要求,需将容量调整至420 kW;由于日负荷及风能资源和太阳能资源的波动性,存在一定的失电率,则需在日校核过程中配置一定量的蓄电池.

高强度钢焊接方形截面轴心受压构件的局部和整体相关屈曲

钢结构设计规范GB 50017-2003规定箱形截面轴心受压构件板件宽厚比不应超过y40 235/f,但实际工程中板件宽厚比达到120,远远超过此值。该文采用ANSYS有限元软件建立模型分析了高强度钢(名义屈服强度为460MPa)宽厚比超限的焊接箱形截面轴心受压构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷(整体、局部初弯曲)和残余应力,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,采用曲线a代替规范GB 50017-2003中规定的曲线b,用直接强度法对这些构件进行计算,并将计算结果和有限元模拟结果相比较。针对误差较大的压杆,提出修正的直接强度法。研究表明:该文有限元模型能够很好地模拟高强度钢焊接箱形截面轴心受压构件非线性屈曲的性能;对板件宽厚比B/T≥45的轴心受压构件,有限元计算结果和直接强度法计算结果吻合较好,而对B/T<45者,二者相差较大;提出的修正直接强度法和试验结果吻合很好。

工程机械伸缩臂接触应力高效有限元分析

工程机械中存在大量的滑动伸缩机构接触问题,对此类问题进行分析的最有效方法是有限元法,但是对于大型复杂机械进行整机分析时面临着计算耗时过长和计算不易收敛等问题,为提高分析效率,采取先整体后局部的两步分析法,即从整体粗网格模型分析结果提取局部子模型位移边界条件,然后将其施加到细网格局部子模型上来分析详细局部接触部位应力的求解策略.以某一实际设计的高空作业车伸缩臂间滑动接触结构分析为例实施了两步法分析过程,在获得相近局部分析精度的条件下,采用整体-局部两步分析法比用细网格整体模型求解显著提高求解效率.

核电SC结构横焊1∶1子模块焊接变形量仿真研究

核电SC构件具有结构尺寸大、焊缝数量多、拼装精度高的特点,如何实现对焊接变形的预测与控制是目前需要解决的问题。以核电SC结构横焊子模块为研究对象(长度超过24 m),建立了SC结构模块1∶1尺寸三维数值模型。并采用局部-整体有限元计算方法对结构焊后的变形量进行了数值仿真。结果表明,由于焊接顺序和各板体内部的钢筋密度不同,子模块各板体表现出不同的变形分布特征。变形集中分布在2#板体中部钢筋疏区和板材边缘处,以及横焊焊缝区域附近,最大变形量为3.83 mm。3#板体的最大变形分布在焊缝区、板材顶部中间区域和3#外侧板边缘区域,最大变形量为2.1 mm。模拟结果与实际测量结果具有较高的吻合度。

核电SC结构立焊1:1子模块焊接变形量数值模拟

大型焊接结构件具有制造周期长、综合成本高、焊接变形难以预测及控制的难点。本文以核电站SC结构子模块为研究对象(长度尺寸超过24m),根据实际的结构尺寸和焊接工艺,建立了SC立焊子模块1:1三维数值模型。并采用‘局部-整体’有限元计算方法对结构焊后的变形量进行了分析。结果表明,板材集中变形区发生在焊缝区以及板材的边缘区域上,最大变形量为3.4mm。1#板材在径向方向上呈向外拉伸变形的趋势,2#板材呈收缩变形的趋势。板材外侧变形较大,并向板材中间逐渐变小,板材中部区域的变形量最小。仿真结果与实际测量结果基本吻合,证明了该方法的模拟可行性,可以为后续工程中大型焊接结构变形量的预测提供指导建议。

核电SC结构模块拼装焊接变形量仿真研究

针对核电SC结构模块具有整体结构尺寸大、焊缝数量多、变形控制难度大、焊后矫形困难等特点,通过Sysweld软件构建SC结构模块1∶1三维数值模型,对不同的焊接拼装工序、焊接方法、设备数量对焊接变形量的影响进行了数值模拟,给出了最优的焊接拼装施工技术方案。经现场工程验证,采用多设备、对称焊的方法能够有效地控制焊接变形,且最大变形量可控制住1.5mm以内,其数值模拟值与实际变形量值的偏差在15%内,说明数值模拟对焊接变形的预判结果具有较高的可信度,其计算结果对现场施工有着重要意义。

桁架桥梁节点增强优化方法研究

针对下承式钢管混凝土桁架梁桥拆除过程节点强度不足问题,提出下弦杆翼缘栓接型钢、腹杆补焊槽钢、端部三角区焊接钢板、新增腹杆的综合节点加固方案。基于“整体-局部”分析方法,对比分析3种新增腹杆与原节点连接方案,对加固后的节点构造进行优化设计。结果表明:(1)加固后腹杆应力峰值减小47.6%,下弦杆应力峰值减小44.4%;(2)采用新增腹杆与原节点焊接的连接方案,节点最大应力值均远大于钢材设计强度值,不满足节点受力要求;(3)新增腹杆与原节点外贴节点板连接方案,屈曲荷载约为最大荷载工况对应荷载的5.5倍,但节点最大应力值较大,不满足节点受力要求;(4)采用新增腹杆与原节点焊接并在节点钢管混凝土内部灌浆方案,最大应力值相对较小,原有杆件外侧均采用槽钢加固,节点受力满足要求,推荐采用方案3的连接方式。

宽厚比超限的高强钢方形截面轴心受压构件极限承载力

采用有限元法分析了Q345,Q390及Q420钢宽厚比超限(b/t=40,50,60和70)的焊接方形截面轴心受压构件的极限承载力,并将计算结果和直接强度法、有效屈服强度法相比较。研究表明:有限元模拟结果和直接强度法计算结果吻合较好,有效屈服强度法略为保守;采用两种方法计算时,焊接方形截面应按a类而非《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)规定的b类截面查稳定系数φ;采用有效屈服强度法时,板件正则化长细比应取λp=(φfy/σcr)～(1/2),p。建议修订规范时将直接强度法和有效屈服强度法也纳入规范。

焊接顺序对大型厚板结构焊接变形的影响

大型厚板结构焊接变形影响其制造质量,预测和控制结构件的焊接变形具有重要的工程意义。以工程车车架为例,采用局部-整体映射法研究了焊接顺序对其焊接变形的影响。采用热弹塑性法分析了T形和角接接头的焊接过程,提取接头局部塑性应变,映射到整体模型,实现整体结构焊接变形的计算。现场焊接顺序下结构变形最大,最大变形量为2.852 mm,计算结果与试验结果基本一致,采用优化的焊接顺序,可有效控制整体焊接变形,变形最大值可减小43%。