挖掘机下车架焊接变形行为数值模拟及工艺参数优化

作     者：王雁琨 

作者单位：西安建筑科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王发展

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：下车架 焊接顺序 工艺参数 改进算法 

摘      要：挖掘机下车架作为挖掘机的核心组成部件,不仅控制挖掘机的行走,还对上车架有一定的支撑作用,并有助于工作装置的实施,因此对形位尺寸公差有严格的要求。下车架的制造工艺是将左右纵梁进行加工,然后拼点组装最终焊接成型,因而尺寸保证能力低。由此,需要优化焊接工艺参数来抑制或减少焊接变形行为,从而提高焊接生产精度。为了提高焊接质量,将影响焊接质量的因素分类进行优化,其中主要分为:（1）焊接热源对焊接数值模拟效率至关重要,尤其针对尺寸大、结构复杂的焊接构件,焊接热源对仿真结果精度影响重大,因此提出分段移动温控热源模型,其是将进入温度场的稳态值作为计算步长,这样会使计算量会大大降低,除此之外,将计算步长适时加大,由此计算时间也会大大缩短,工作效率得到提高。以工字梁为热源验证模型,与双椭球热源模型进行比较,同时将其焊接顺序和方向进行优化。结果表明,分段移动温控热源与双椭球热源模型仿真结果误差相当,但计算效率较为高效。同时,对工字梁的焊接顺序优化的结果是:顺序为左下→右上→右下→左上、方向为同向的焊接方案为最优。分段移动温控热源模型的提出对大型复杂结构件的数值模拟研究意义非凡。（2）对大型复杂结构件焊接顺序方案进行制定时,要重点把控其对焊接构件造成变形和产生残余应力的影响。针对这一焊接原则,将挖掘机下车架的结构分段分层,逐项优化,最终找出最优焊接顺序方案,同时将分段移动温控热源应用于挖掘机下车架的数值模拟中,通过对温度场的相关分析可知,熔池尺寸的大小分布与模型中焊后的尺寸较为符合,再次验证了分段移动温控热源的准确性和可行性;根据应力场的分析结果可知,选择合理的焊接顺序可以减小焊接结构件的变形量和残余应力,方案三的变形量和残余应力为四种焊接顺序方案中最小,主件顶环面焊后变形量为0.46mm,未超过平面度的相关规定,残余应力的最大值位于齿座圈受压侧。（3）针对多目标粒子群随机生成初始种群分布性较为散乱的问题,引入Henon混沌映射,提出了一种基于Henon混沌映射的改进多目标算法,该算法（H-CMOPSO）既能使目标函数进行快速全局寻优,还能减少大多数粒子最优解集陷入局部优解;除此之外,外部存储性能较之前有很大提升,解集可占空间更大。通过3个典型的多目标测试函数,将算法的性能与NSGAⅡ和MOPSO相比,结果证明改进的算法具有更优的性能。（4）优化焊接工艺参数中焊接电压、焊接电流和焊接速度三个重点参数,以焊接变形量、残余应力和焊接工时为优化目标,将有限元分析结果嵌入到本文改进的多目标粒子群算法（H-CMOPSO）中进行算法寻优。通过对***进行二次开发,将优化过程程序化,大大提高仿真效率,以工字梁为研究模型,研究结果表明,焊接残余应力降低了10%,焊接变形量幅值降低了24.24%,焊接工时减少了17.78%,仿真过程程序化后时间约为传统仿真的1/3。优化后的焊接质量得到显著提高。