TBM主梁焊接工艺过程数值模拟的研究

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TBM广泛应用于隧道掘进工程中,主梁作为TBM主机的关键组成部分,承受着刀盘传递过来的力和扭矩,并将其传递到撑靴上,可以说主梁质量的好坏直接影响隧道挖掘的进度和质量。TBM主梁是典型的箱型梁结构,通过焊接制造完成,在焊接完成后不可避免的会产生残余应力及不可忽视的焊接变形,对主梁以及TBM整体的工作性能和使用寿命有着很大影响。以往人们通过试验方法来研究焊接工艺,方法复杂而且消耗较大,进入二十一世纪以来,利用数值模拟的方法对焊接工艺进行研究得到了广泛的开展。本文利用有限元软件ANSYS,选取主梁在实际工况下应力较为集中的部分作为研究对象,并将该部分提取出来建立简化的有限元模型,基于有限元以及热弹塑性等相关理论,对不同的焊接工艺方案进行数值模拟,并得出了温度场、应力场分布变化以及最终的残余应力和变形情况,并加以实验佐证。主要包括以下内容:(1)TBM主梁焊接部位的选取:利用有限元软件ANSYS Workbench对TBM主梁施加实际工作载荷,进行静力学有限元分析,以找出应力较为集中的部分,并以此部分作为焊接工艺的研究对象。(2)焊接数值模拟有限元模型的建立:根据实际焊接工艺,选择主梁顶板与腹板的典型焊接结构作为分析对象,利用有限元软件ANSYS的参数化编程语言建立了包含多层多道焊的焊接部位有限元模型。(3)焊接温度场数值模拟:确定焊接工艺方案和工艺参数,在ANSYS中对焊接过程进行仿真,得到温度场的分布变化规律并分析讨论。(4)焊接应力应变场的数值模拟:通过热-应力耦合的分析流程,以温度场分析结果作为基础,对不同焊接工艺顺序进行模拟,得到应力应变场结果并对比讨论,为实际焊接工艺顺序的选择提供一定的理论基础。(5)采用盲孔法对口字型焊接样件残余应力进行测量,并与数值模拟结果进行对比,以验证模拟结果的合理性,从侧面证明焊接顺序方案选择的合理性。
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