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研究背景 节能和大型轻量化结构是当代工业发展的一个方向，因此高强度薄壁件越来越多的应用于造船、汽车、航天飞机等工业行业，但薄壁焊接时容易产生失稳变形，这就会对薄板性能造成很大的影响。但数值模拟基于一定的假设，和实际情况存在偏差，其原因在于缺乏有效和可靠的测试手段。 而传统手段，如引伸计，位移传感器，应变计等设备都有明显的缺点。应变计贴片工艺复杂,且测量结果是一个较大区域的单向平均应变，而位移传感器一般只能用于单点、单向测量，不能或很难测量焊接件表面整体的变形场，引伸计也只能测量两点之间的位移变化，测量多点需要布置多个引伸计。这些接触式测量法在测量中的缺点也就制约了焊接变形的测量以及焊接工艺的发展。 光学非接触式测量方法的发展为焊接变形的测量提供了可行的解决方案。光学非接触式测量方法，如本文中提到的，三维光学面扫描系统，三维光学摄影测量系统以及三维数字散斑动态应变测量系统不仅能够保证高精度，而且光路简单，操作简便快捷，并且能够测量大幅面的变形，其中三维数字散斑动态应变测量系统还能够测量焊接过程及冷却过程中的全场变形这样就能为数值模拟修正提供依据，提高其计算精度，而且可以更真实地反映实际情况。  研究内容 (1)、焊接失稳变形关键点变形榷圆饬考际跹芯?BR>方案：采用TIG焊焊接低碳钢板，钢板处于自由变形状态，手工焊接钢板，然后利用XTDP分别对焊接前后的薄板进行摄影测量。并针对焊接失稳变形对XTDP进行算法上的改进，可以将焊接前后的两组摄影测量工程进行静态变形比对，计算出焊接前后每个标志点的变形。(2)、焊接失稳变形全场三维点云精确比对测量技术研究 方案：采用焊接机器人TIG焊焊接低碳钢板，钢板处于自由变形状态，利用XTOM三维光学面扫描系统分别对试板焊前和焊后状态进行测量，并针对焊接失稳变形对XTOM进行算法上的改进，可以对焊接前后的两幅点云进行精确比对。 (3)、焊接失稳变形三维数字散斑全场动态应变测量技术研究 现有系统改进：根据现有XTDIC的适用范围，针对焊接过程中的高温，提出亮点改进，一是对冷喷涂技术和高温漆进行试验，测试这些材料制备散斑的性能，二是提出种子点图像快速匹配，提高计算速度。 (3-1)焊接动态变形加持状态大幅面散斑测量方案：采用TIG焊焊接低碳钢板，调节XTDIC系统的测量幅面为300mm*200mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量，记录其全场动态变化过程，并对测量结果进行分析。焊接失稳变形的动态演变。（板子处于夹持状态）。 (3-2)焊接动态变形夹持状态标准幅面散斑测量 方案：采用TIG焊焊接低碳钢板，调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量，记录其全场动态变化过程，并对测量结果进行分析焊接失稳变形的动态演变。（板子处于夹持状态） (3-3)焊接动态变形自由状态标准幅面散斑测量 方案：采用TIG焊焊接低碳钢板，调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量，记录其全场动态变化过程，并对测量结果进行分析。使用45°平面镜作为反射平面。(3-4)焊接动态变形夹持状态标准幅面焊缝区域散斑测量方案：采用TIG焊焊接低碳钢板，调节XTDIC系统的测量幅面为64mm*48mm在焊接过程中利用XTDIC三维光学数字散斑动态应变测量系统对焊接过程及后续冷却过程进行跟踪测量，记录其全场动态变化过程，并对测量结果进行分析。测试高温漆，以及其他喷涂方式来制备耐高温的散斑图案，以便在焊缝位置制备散斑，适当情况下还可以加入减光设备来进行散斑图像的采集。 (4)、使用有限元软件对焊接变形过程进行数值模拟 方案：使用有限元数值模拟软件Ansys或Abaqus对焊接过程进行模拟，并结合测试结果修改输入参数，使模拟结果同实际测量结果能接近。 (5)、焊接失稳变形机理的分析 研究概述大型轻质化是当代焊接结构的一个发展趋势，薄壁材料越来越多的应用在汽车、飞机、轮船等工业行业，但在这些结构焊接过程中，失稳变形是一个很重要的问题。传统测量手段有很明显的缺陷，无法满足测量需求 接触测量，影响被测物性能，尤其小尺寸物体 单点、单方向测量，无法展现整体趋势 量程有限，无法测量大变形 使用复杂，粘贴质量影响测量结果 无法适应特殊测量要求，如柔软物体，高温环境，高速旋转物等 数值模拟基于一定的假设，和实际情况存在偏差。 数值模拟的准确性取决于输入数据的准确性，输入数据的准确性来自测量结果的准确性和可靠性。数值模拟只能模拟面外变形 由于焊接引起的失稳变形十分复杂，开发新型的精确测量技术测量失稳变形，对学术研究，对实际生产都有十分重要的意义 解决问题 1.金属薄板焊接失稳静态变形的测量。 2.金属薄板焊接失稳动态变形的测量。 研究内容 1.金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点变形比对测量技术研究。 2.金属薄板焊接失稳变形的点云数据精确比对静态测量技术研究。 3.金属薄板焊接失稳变形的三维数字散斑全场动态应变测量技术研究。 完成了三种测量技术的理论研究，并在现有基础上针对焊接变形做了部分算法的研究和改进。 预期焊接结果 1.纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩 2.横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩 3.失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形 焊接变形三维轮廓点云比对实验 金属薄板焊接失稳变形的三维摄影测量关键点变形比对测量技术研究 三维变形比对结果 初始状态下点(0, 0)和点(189.7, -1.8)之间的距离 面扫描实验结果同静态变形实验结果所得的变形量接近，整体变形趋势所测得加过也较为接近。 实验结果符合Pingsha Dong文章中的m=1的情况，既焊接变形方向会有两种情况。 大幅面全场动态应变实验 从以下位移图中可知： 1.沿焊缝方向即Y方向，状态点先收缩后扩张，点C扩大幅度约为0.6mm，且在焊接结束时达到正向极值。这部分数据与理论分析正好相反。 2.垂直焊缝方向即X方向，状态点先扩张后收缩，点C缩小幅度约为2.6mm，且在焊接结束时达到负向极值。 3.面外方向即Z方向，状态点先向焊枪指向方向变形，后向反方向变形，点C变形幅度达到13.47mm。 4.C1和C2的形状同实际焊接结束后板件沿焊缝方向的变形相同。 点对1是X方向上的点对，点对2是Y方向上的点对点对1沿焊缝方向板件先伸长后收缩，冷却结束较焊接前收缩了0.05mm点对垂直焊缝板件先伸长后收缩，冷却结束较焊接前收缩了0.02mm 标准幅面全场动态应变实验 X方向和Y方向的变化均为先扩张后收缩，符合理论分析 点对1是X方向上的点对，点对2是Y方向上的点对 |