不锈钢筒体内衬焊接工装夹具设计与分析

摘要

　　不锈钢薄壁筒体在焊接内衬板时因壁厚较薄，产生的焊接变形较大，焊接质量无法得到保证，而且由于工件较大，加大了工人的劳动强度，降低了生产效率。因此本文在考虑初始残余应力的情况下，通过有限元分析软件模拟筒体及内衬板的焊接变形，针对该变形结果设计相应的焊接工装夹具来减小工件焊接变形提高工人工作效率。

　　在查阅国内外文献资料的基础上，以不锈钢筒体内衬板焊接为研究对象，研宄了焊接变形的有限元计算过程和焊接工装夹具设计理论。对筒体内衬板进行焊接工艺分析，以降低焊接过程中筒体及内衬板产生的变形为目标，通过研究筒体及内衬板在焊接过程中的运送方式、焊接方法及筒体在焊接过程中的定位基准面，经过多种焊接方式的对比，选择氩弧焊焊接方法。

　　对筒体内衬板焊接过程进行预变形分析，选用有限元分析软件的瞬态结构分析模块模拟筒体卷制过程，求解卷制过程的受力和变形。将求解得到的应力值作为初始应力，采用热结构直接耦合的方法，通过APDL命令流读取初始应力，设置相应载荷与约束条件，运用movingheatflux插件完成筒体直焊缝焊接过程，重复读取初始应力值，求解筒体及衬板的最终应力值是114.7MPa,变形值为3.14mm.通过与未施加初始残余应力的应力变形结果进行对比，分析考虑初始残余应力对筒体衬板焊接的影响。采用实验验证方法，测试筒体完成直焊缝焊接后的残余应力，结果表明：测试实验数值与仿真数值一致。

　　筒体及衬板在自由焊接情况下变形值为3.14mm,变形值较大无法满足设计要求。为减小焊接变形对筒体焊接衬板工序的焊接工装夹具进行了结构设计，根据筒体衬板焊接夹具的设计要求，求解筒体固定夹紧状态下所需夹紧力及衬板所需吸附力，对其定位元件、夹紧元件、翻转移动机构、夹具体及其他零件进行了设计。对焊接工装夹具性能进行分析。对其定位误差进行计算，定位误差值小于0.5mxn的焊缝间距限制。

　　对筒体在焊接工装夹具的定位夹紧过程进行了变形分析，求得筒体的最大变形为0.36mm,最大等效应力值为14.21MPa,满足设计要求。对安置于工装夹具的筒体及衬板进行焊接变形仿真，求得结果与未使用焊接工装夹具情况对比，筒体变形值得到有效控制，且变形值减小了77%.对筒体焊接变形进行了实验研究，通过比较6个测试点的实验数值与仿真数值，证实了仿真结果的正确性及夹具设计的合理性。

　　关键词：不锈钢薄壁筒体；初始残余应力；有限元法；焊接工装夹具；结构设计

abstract

　　When the stainless steel thin-walled cylinder is welding the inner lining plate, due to the thin wall thickness, the welding deformation is large, and the welding quality cannot be guaranteed. Moreover, due to the large workpiece, the labor intensity of workers is increased and the production efficiency is reduced. Therefore, considering the initial residual stress, this paper simulates the welding deformation of cylinder and lining plate through finite element analysis software, and designs the corresponding welding fixture according to the deformation results to reduce the welding deformation of workpiece and improve workers' work efficiency.

　　On the basis of consulting the literature at home and abroad, taking the welding of lining plate in stainless steel cylinder as the research object, the finite element calculation process of welding deformation and the design theory of welding fixture are studied. The welding process of the lining plate in the cylinder is analyzed to reduce the deformation of the cylinder and the lining plate in the welding process. By studying the transportation mode, welding method and positioning datum plane of the cylinder and the lining plate in the welding process, the argon arc welding method is selected through the comparison of various welding methods.

　　The pre deformation analysis of the welding process of the lining plate in the cylinder is carried out, and the transient structure analysis module of the finite element analysis software is selected to simulate the rolling process of the cylinder and solve the stress and deformation in the rolling process. Take the calculated stress value as the initial stress, use the thermal structure direct coupling method, read the initial stress through the APDL command flow, set the corresponding load and constraint conditions, use the movingheatflux plug-in to complete the straight weld welding process of the cylinder, repeatedly read the initial stress value, and solve that the final stress value of the cylinder and lining plate is 114.7mpa, The deformation value is 3.14mm. By comparing with the stress deformation results without initial residual stress, the influence of initial residual stress on cylinder liner welding is analyzed. The experimental verification method is used to test the residual stress of the cylinder after straight weld welding. The results show that the experimental values are consistent with the simulation values.

　　The deformation value of cylinder and lining plate under free welding is 3.14mm, which is large and can not meet the design requirements. In order to reduce the welding deformation, the structural design of the welding fixture for the cylinder welding lining plate process is carried out. According to the design requirements of the cylinder lining plate welding fixture, the clamping force required under the fixed clamping state of the cylinder and the adsorption force required by the lining plate are solved, and its positioning element, clamping element, turning moving mechanism, clamp and other parts are designed. Analyze the performance of welding fixture. The positioning error is calculated, and the positioning error value is less than the weld spacing limit of 0.5mxn.

　　The deformation of the cylinder in the positioning and clamping process of the welding fixture is analyzed. It is obtained that the maximum deformation of the cylinder is 0.36mm and the maximum equivalent stress is 14.21mpa, which meets the design requirements. The welding deformation of the cylinder and lining plate placed in the tooling fixture is simulated. Compared with the situation without the welding fixture, the cylinder deformation is effectively controlled and the deformation value is reduced by 77%, The correctness of the simulation results and the rationality of the fixture design are verified.

　　Key words: stainless steel thin wall cylinder; Initial residual stress; Finite element method; Welding fixture; Structural design

目录

　　1绪论

　　1Introduction

　　1.1研究背景与意义（Researchbackgroundandsignificance）

　　焊接生产过程中待焊工件的焊接变形无法避免，减小焊接变形意义重大。目前不锈钢筒体两侧对称焊接内衬板，因内衬板处于筒体内部，定位夹紧较为困难，筒体及内衬板的变形量无法得到有效控制，筒体变形值较大，焊接完成后往往还需要进行人工矫正，而且目前焊接方式主要是人工焊接为主，两侧对称焊接需要先完成一侧焊接，然后将筒体人工翻转再完成另一侧焊接，该方式降低了工人的工作效率，同时还加大了工人的工作强度。目前各国研宄人员通过设计相应焊接夹具，选择合适的焊接方法，合理的焊接顺序减小焊接变形。设计焊接工装夹具当前主要是以现场经验为主，该方法具有一定的局限性，控制变形能力有限。近年来有限元分析方法开始大量应用，该方法能够通过模拟机械加工过程求解变形，并针对变形结果设计焊接工装夹具。但是在实际焊接过程中，在焊接前焊接件从毛坯到工件往往都会经过其他一些机械加工，因此焊接工件在焊接前就会存在某些相应的初始残余应力，在焊接连接过程中，这些焊件内部原有的初始残余应力将会和焊接过程的应力发生耦合作用，耦合作用的结果将影响焊后的结构件内应力分布及工件的表面变形，导致求解结果与焊接实际结果存在差异m.因此考虑初始残余应力十分必要，运用有限元软件分析焊接变形前计算出焊件存在的初始残余应力并将初始残余应力加载到后续的焊接仿真过程，将会有效的减小变形误差，为实际焊接变形提供参考。本课题以不锈钢筒体内衬板焊接为例，通过有限元软件模拟了筒体卷制过程，并将卷制筒体求得的应力值作为初始残余应力加载到后续的衬板焊接过程，求解筒体及衬板的焊接变形。并针对求解变形结果设计焊接工装夹具，该夹具可以对筒体及内衬板进行定位，并夹紧有限元求解的变形较大位置，有效减小筒体衬板焊接过程的变形，提高待焊工件的焊接质量，提升工件的生产效率，并有效降低工人的劳动强度。

　　1.2国内外研究现状（Statusofresearchathomeandabroad）

　　1.2.1焊接变形分析的国内外研究现状

　　目前焊接变形的分析方法有残余塑性解析方法、热弹塑性有限单元解析法、固有应变法和热粘弹塑性有限元解析方法等[2].RongY[3]等首先介绍了热弹性塑料（TEP）和固有应变有限元分析（FEA）两种方法的基本原理。讨论了焊接过程，约束，固相变和多道次焊接对焊后工件变形和残余应力的影响，总结了计算精度和效率。分析了固有应变有限元分析中固有应变的加载方法，引入界面单元来模拟间隙对装配焊接变形的影响。RongY[4]等分析了大型船只的螺旋桨喷嘴的焊接变形和焊接残余应力，并采用有限元分析方法求解了基本T形接头的焊接变形和残余应力，并通过实验进行了验证。

　　吉沐园[5]使用焊接过程的有限元理论，推导计算了焊接温度场与焊接应力场的有限元分析求解过程，并分析非线性瞬态温度场热传导，用塑性理论和热弹塑性有限元理论分析了应力与变形。

　　宋渊w采用顺序耦合的方法对多物理场进行了耦合模拟，在热力耦合求解的结果基础上，采用固有应变法分析了工件的焊接变形。

　　刘海涛[7]使用线弹性有限元求解了工件的焊接变形，并在利用简化公式的基础上建立了固有应变的专用数据库，提高了生产效率。Lik>[8]等人采用固有应变法计算了工件焊接变形，得出焊接过程的固有应变值取决于焊接过程中的焊接环境的最高温度和添加的相应约束程度。

　　李树栋[9]等采用固有应变方法对地铁车辆的车顶进行了焊接变形仿真，该方法有效解决了传统的理论无法解决大尺寸工件仿真问题。通过求解结果与实验求解数据的对比，证明了有限元分析结果的正确性，为后续生产实际提供了指导。温焕翊[i〇]等采用固有应变法对升船机船厢的主纵梁的不同焊接顺序情况下的变形量进行了求解计算，解决了以往分析困难变形大，无法准确控制精度等问题。

　　1.2.2初始残余应力对后期加工影响的国内外研究现状

　　Park等采用有限元方法将获得的初始应力作为初始条件对钢结构进行焊接分析，分析了初始残余应力对焊接残余应力的影响。MehnerT[121等建立了具有初始残余应力的模型，将其加载到二维切削的热力耦合有限元模型中，并设计拉伸夹具以将初始应力施加到AI-606I的薄壁部分中，进行切割实验。并通过X射线衍射/电解抛光方法求解了模型残余应力分布。Gao11[13]等根据有限元法计算的等效弯曲刚度，提出了薄壁零件的半解析加工变形预测模型（FEM）模板和板壳理论。通过半分析模型预测七个典型研究案例的加工变形，进行相应的实验和FEM模拟以验证所提出的模型，然后，基于所提出的模型的定量结果，研究分析了初始残余应力对工件的加工变形的影响。LiuY[14]等采用钻孔法，铸造ZL205铝合金锥形薄壁坯料，建立了三种初始残余应力有限元模型，模拟ABAQUS和ANSYS软件中的层去除方法。

　　周亮[1]分析了薄板在经过热乳制加工后产生的残余应力，通过与未考虑初始残余应力情况的对比，分析了残余应力对后续薄板焊接变形的影响。卓一杉[15]使用正交试验法、数值模拟技术等理论方法，以铝合金薄壁框架为研宄对象，分析了铝合金毛坯件的初始残余应力对框架后续加工变形的影响。

　　孙瑞[16]等通过有限元分析软件对钢板热变形的激光热矫形过程的应力应变场进行了仿真，分析了初始残余应力对钢板激光热矫形的影响。王明海等在考虑初始残余应力的情况下，运用ABAQUS仿真软件模拟了铝合金结构件的淬火过程，分析了初始残余应力对工件淬火过程产生的影响，并通过与实验结果的对比，验证了有限元软件的正确性。王延忠[18]等对齿轮工件通过有限元仿真软件模拟了其热处理过程，并将热处理过程求解的应力值作为初始残余应力加载到齿轮磨削阶段，得出了初始应力值对后续工序作用的影响。杨永春[19]在已有有限元分析软件MSC.Marc基础上二次开发了有限元计算方法，以钢结构件为研宄对象，对其进行了有限元仿真，分析了初始残余应力对钢结构件的焊接残余应力产生的影响。

　　1.2.3焊接夹具的国内外研究现状

　　WangH,Rong$[2（|]首先对系统化和管理无数夹具相关资源进行系统化和管理。提出了一种用于焊接夹具设计的多级CBR方法。这种方法可以帮助设计人员通过参考以前的设计案例，快速制作概念性夹具解决方案，最后完成夹具设计的详细解决方案。SutharJD[21]等对于叶轮焊接夹具的设计和分析，提出了一种创新的方法，将叶轮结构本身用作夹具，减少了焊接过程中产生的变形。M〇nk〇vaK[22]等针对奥迪后头枕支架的焊接。首先，创建产品的3D模型，然后设计夹具（及其组件），最后在AutodeskInventorProfessional软件中准备用于自动化生产的焊接工作台的虚拟模型。BejlegaardM[23]等针对不断增加的产品种类和更短生命周期提出可重新配置的夹具，这为可重构夹具的设计阶段带来了一些关键问题，提出了一种用于可重构设备设计的通用架构设计方法。

　　张展生[24]设计的焊接夹具用于汽车车身的焊接过程，夹具由机器人定位调整方法，自动化程度较高，提高了产品的焊接效率。

　　陈佳成[25]设计的焊接工装夹具用于断路器转轴的焊接过程，该夹具能够精准定位，并有效夹紧转轴两端，使用过程较为方便。张惠中[26]等人设计了一种夹具，该夹具可以实时显示夹紧状态下的工件的压力载荷，并可以及时调整夹紧力大小，该夹具精度较高，能较好的控制焊接变形。何道聪[27]设计了一款可调节焊接工装夹具，该夹具可用于不同车型的口盖焊接，切换速度快，有效提高了产品利用率。

　　高延杰[28]设计了一种用于薄壁板件焊接过程的焊接工装夹具，该夹具能够进行精准定位、有效夹紧工件，解决了以往工件焊接变形大，焊接质量不高等问题。

　　单俊[29]等人应用SolidWorks三维软件设计了一款专用焊接气动夹具，该夹具应用于汽车后座，对放置于夹具上的工件进行了焊接过程及运动过程的有限元仿真，针对求解结果对工装夹具进行了优化。商冬青[3〇]等人设计了一套专用的焊接工装夹具，该夹具应用于薄板焊接过程，夹具能够精确定位，夹紧薄板部件，减小薄板的焊接变形，提高焊接质量。综上所述，国内外学者对初始残余应力、焊接变形分析及焊接工装夹具设计研宄的较为深入，但是对考虑初始残余应力对焊接变形的分析研究较少，因此无法较为准确的分析出筒体及内衬板的焊接变形，所设计的焊接工装夹具也无法有效的较小焊接变形。

　　1.3本文主要研究内容（Mainresearchcontent）

　　筒体及其内衬板在焊接之前往往还存在一定的预加工，即筒体内部会存在相应的初始应力，我们在有限元分析焊接变形前需加载相应的初始应力，以准确模拟筒体及内衬板的焊接变形。而且在实际焊接过程中以人工焊接为主无法对其变形位置进行有效控制，大工件也使得工人劳动强度增大，工作效率较低，针对有限元分析结果设计了一款能够减小工件焊接变形，提高工人工作效率，减轻工人工作强度的焊接工装夹具。因此本文的主要研究内容如下：

　　（1）考虑初始残余应力的存在，使用有限元仿真软件对不锈钢薄板卷筒成型过程进行应力应变分析，将求得的应力结果作为焊接的初始应力加载到后续的焊接仿真过程，求解筒体及内衬板的焊接变形。

　　（2）针对筒体及内衬板的焊接变形设计相应的焊接工装夹具，该夹具可以完成对不锈钢筒体及两内衬板的定位夹紧，且带有翻转功能。

　　（3）对设计的焊接工装夹具进行性能分析，包括定位误差分析，定位夹紧过程的可靠性分析，确保夹具设计满足相应的设计要求。

　　2简体内衬焊接工装夹具概述及焊接应力基本理

　　2.1焊接工装夹具的概述

　　2.2焊接应力的基本理论

　　2.3本章小结

　　3筒体内衬焊接工件结构及焊接工艺分析

　　3.1筲体内衬焊接工件结构

　　3.2简体内衬焊接工艺分析

　　3.3本章小结

　　4基于初始残余应力简体内村焊接变形分析

　　4.1筒体内衬焊接前初始残余应力的求解

　　4.2考虑初始残余应力的简体内衬焊接变形分析

　　4.3初始残余应力对简体衬板焊接残余应力的影响

　　4.4残余应力的实验研究

　　4.5本章小结

　　5简体内衬焊接工装夹具设计

　　5.1定位元件

　　5.2夹紧元件

　　53翻转移动机构

　　5.6焊接工装夹具结构

　　5.7本章小结

　　6简体内衬焊接工装夹具性能分析

　　6.1定位误差分析

　　6.2定位夹紧过程简体变形分析

　　6.3焊接工装夹具对简体村板焊接变形的影响

　　6.4焊接变形实验研究

　　6.5本章小结

7总结与展望

　　7 Summary and prospect

　　7.1工作总结（Summary）

　　本文主要是在考虑初始残余应力的情况下通过有限元软件求解了简体及内村板焊接的变形情况，并针对变形设计了焊接工装夹具。主要研究内容如下：

　　（1）研究了对于焊接过程中焊接变形的重要影响因素与控制方法。以及大致介绍了焊接夹具，分析了焊接夹具的类型、组成以及设计要求，对焊接夹具的设计过程进行了- -定的介绍。通过焊接夹具的重点阐述，为之后简体及内村板的焊接夹具的设计提供了理论依据。

　　（2）介绍了待焊简体衬板初始状态及焊接完成的结构，分析了简体及村板在点焊过程中的运送方式、焊接方法及简体在焊接过程中的定位基准面，通过多种焊接方式的对比后。

　　选用氣弧焊进行点焊加工，从焊接工艺方面控制并降低焊接过程中简体及衬板发生的变形，焊接要求内衬板与简体拼接焊缝间隐不得大于0.5mm.

　　（3）研究了薄板往制简体过程的应力应变分布情况，通过有限元分析软件workbench的瞬态结构分析模块模拟了薄板卷制简体过程的两个阶段：上辊下压与简体滚圆阶段，通过伤真结果我们可以看出，薄板沿厚度方向的应力星现为对称分布，应力的最大值出现在与辊子接触处，中性层基本为零，且上辊下压过程板材的最大等效应力远大于滚弯阶段的最大等效应力，卷制过程的应变在上辊下压阶段出现峰值，在滚弯阶段存在波动，模拟結果符合实际情况。通过添加初始应力与来施加初始残余应力的应力应变结果对比，分析考虑初始残余应力对简体衬板焊接的影响，得到以下结论：两种情况的等效应力变化趋势基本相同，0到60步考虑初始残余应力的焊按等效应力值大于未考虑初始残余应力情况，从60步往后考虑初始应力的等效应力值小于未考虑情况，这是初始应力与焊接等效应力值发生耦合，初始残余应力值消除了一些焊接应力值。在简体焊接完直焊縫后对简体的残余应力进行了实验分析，测定了6个测试点的残余应力数值。通过实验数值与仿真值的比较，证明了有限元仿真结果的正确性。由于简体及内衬板的焊接变形值较大。因此为湖足焊接要求。需通过设计相应的焊接工裝夹具减小焊接变形。

　　（4）对简体点焊衬板工序的焊接工装夹具进行了结构设计，根据简体村板焊接夹具的设计要求，对其定位元件，夹紧元件，翻转移动机构，夹具体及其他零件进行了详细的介绍。

　　对简体定位夹紧的夹紧力计算，求得简体所受夹紧力大小为624.55N, 而气缸提供夹紧力为784N大于624.5SN, 夹紧力大小满足要求。吸盘对衬板吸附力的计算。衬板质量4.6kg,吸盘提供吸附力74N,满足衬板所需。

　　（5）对焊接工装夹具性能进行分析，包括对其定位误差进行计算，定位误差值小于0.5mm的焊缝间距限制。对简体在焊接工装夹具的定位夹紧过程进行变形分析，求得简体的最大变形为0.36mm,最大变形位置为简体竖直放置时简体底端与定位挡块接触处，v形块与简体接触处的最大变形值为0.2mm,最大等效应力值为14.21MPa, 满足设计要求。

　　对安置于工装夹具的简体及村板进行焊接变形仿真，与未放置在工装夹具上的简体变形值对比，我们发现简体变形值减小77%,焊接工装夹具可以有效减小焊接变形。对于简体最后的焊接变形进行了实验研究，通过比较6个测试点的实验数值与仿真数值，证实了仿真结果的正确性及夹具设计的合理性。

　　7.2工作展望（Prospects）

　　由于本人知识储备有限，研究时间较为仓促，在整个研究设计过程中仍存在一- 些不足，还存在着能够深入研究的问题。

　　（1）本文设计的焊接工装夹具的自动化水平较低，尤其是翻转机构采用人工翻转，可能会加大工人的劳动强度，后续可以提高该夹具的自动化水平。

　　（2）可以应用有限元分析软件对烨接I装夹具的关键零部件进行分析优化。减轻焊接工装夹具的重量。

致谢

　　本文在隋秀华老师指导下完成，从论文的选题、大纲的确定。到论文结构确定，研究进度的掌握、论文的修改至定稿，导师都进行了精心的指导并提出了宝貴的建议。老师对于论文的撰写要求严格，地理论知识丰富、态度严谨给我留下了深刻的印象，使我受益终身。老师在我攻读硕士研究生的这段时间，在学习、生活、论文撰写和科技创新方面都蛤予了我无猿不至的指导与关心。

　　另外在论文的撰写过程中。我还要感谢机电学院各位者师在学习上蛤予的帮助与关怀，感谢办公室内的陈宏志，刘晓宇，隋睿，其他各住师弟师妹，宿舍各。

　　位舍友及我的其他同学，他们都在生活学习方面给以我帮助、关心与支持，使我渡过了3年难以忘怀的项士生活，同时我还要感谢我的家人给予我的帮助与理解。

　　鉴于本人能力有限，论文中存在考虑不周的地方，恳请各位老师与专家给予宝贵的意见与指导；最后，向在百忙之中抽出宝贵时间来评审论文的专家和学者表示深深的谢意。

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