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焊接接头残余应力释放及控制研究

作　者: 孙敏科
导　师: 刘玉君
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 焊接接头残余应力释放疲劳预拉伸数值模拟
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

焊接是船舶与海洋结构物制造的关键工艺之一。在船舶建造过程中,从零部件的装焊到分段的装配,再到总段的合拢,焊接工艺大量使用。但是由于焊接接头内部残余应力的存在,对船体构件的使用性能和可靠性产生诸多不利影响。因此,如何准确的模拟焊接残余应力、分析其对疲劳寿命的影响以及如何有效控制焊接残余应力,具有十分重要的工程意义。首先,本文采用热—力耦合有限元分析方法,计算了Q235和304不锈钢钢板对接焊的温度场和应力场,并结合物理实验验证了有限元模型的可靠性。计算和实验结果表明：由于材料属性的差异,温度场和残余应力呈现非对称分布,残余应力峰值出现在304不锈钢一侧。在此基础上,数值模拟了船舶建造过程中常见的管管对接焊过程,并且研究了焊接电流变化对焊接残余应力分布的影响,计算结果显示：焊接残余应力在管道内外表面呈现非对称分布；轴向焊接残余应力在管道内外表面自相平衡；焊接电流的改变对焊接残余应力峰值的变化的影响较小。其次,对循环载荷作用下Q235板板对接焊,纵向焊接残余应力的释放规律和疲劳寿命,进行了数值模拟与计算。数值模拟结果表明：等幅循环载荷作用下纵向焊接残余应力的释放仅限于第一个循环,与外加载荷循环次数无关；外加循环载荷的峰值对残余应力的释放具有主导性作用,残余应力释放量随外加载荷峰值的增加而增大。疲劳寿命计算结果表明,疲劳寿命最小部位出现在焊缝及近焊缝区。最后,对预拉伸焊接法进行数值模拟,得到不同预拉伸应力作用下Q235和304不锈钢钢板对接焊接残余应力的分布。模拟结果表明,通过施加合适的纵向预拉伸应力(0.4s-0.7s),可以有效控制纵向焊接残余应力,且预拉伸应力越大,控制效果越好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 选题背景及意义  10-11
  1.2 焊接数值模拟的研究发展与现状概况  11-14
    1.2.1 国外焊接数值模拟研究发展和现状  11-12
    1.2.2 国内焊接数值模拟研究发展和现状  12-13
    1.2.3 不锈钢和碳钢焊接数值模拟研究现状概述  13-14
  1.3 焊接残余应力释放行为研究  14-15
  1.4 焊接残余应力控制方法研究  15-19
    1.4.1 焊后热处理法  15
    1.4.2 力学变形法  15-17
    1.4.3 温差变形法  17-19
  1.5 本文的主要内容  19-20
2 焊接有限元模拟及疲劳分析理论  20-29
  2.1 焊接过程的有限元分析理论  20-24
    2.1.1 热传导问题的微分方程  20-21
    2.1.2 热传导问题的有限元描述  21-23
    2.1.3 热应力问题的有限元描述  23
    2.1.4 焊接过程有限元模拟的假定  23-24
  2.2 疲劳分析理论  24-28
    2.2.1 疲劳基本概念及特点  24-25
    2.2.2 S-N曲线法  25-26
    2.2.3 疲劳寿命的影响因素  26-28
  2.3 本章小结  28-29
3 异种钢焊接有限元数值模拟及试验对照  29-47
  3.1 常规焊接过程有限元模型的建立  29-33
    3.1.1 几何模型与有限元网格的划分  29-30
    3.1.2 材料热物理性能参数  30-31
    3.1.3 边界条件的定义  31-33
  3.2 常规焊接过程的有限元数值模拟结果  33-38
    3.2.1 常规焊接过程温度场的模拟结果  33-36
    3.2.2 常规焊接过程应力场的模拟结果  36-38
  3.3 验证试验  38-43
    3.3.1 焊接试验材料及设备  38-40
    3.3.2 残余应力测量  40-41
    3.3.3 试验测试结果与模拟结果对比分析  41-43
  3.4 异种钢薄壁管管对接焊残余应力数值模拟  43-45
    3.4.1 薄壁管管对接焊有限元模型建立  43-44
    3.4.2 焊接残余应力数值模拟结果分析  44-45
  3.5 本章小结  45-47
4 循环载荷作用下焊接残余应力释放数值模拟及疲劳分析  47-58
  4.1 循环载荷作用下焊接残余应力释放数值模拟  47-52
    4.1.1 焊接残余应力释放有限元分析步骤  47-48
    4.1.2 外加循环载荷参数及边界条件  48-49
    4.1.3 焊接残余应力释放规律分析  49-52
  4.2 焊接残余应力对结构疲劳寿命的影响  52-57
    4.2.1 MSC.Fatigue疲劳分析概述  52-53
    4.2.2 疲劳分析计算  53-55
    4.2.3 疲劳寿命计算结果分析  55-57
  4.3 本章小结  57-58
5 预拉伸控制焊接残余应力数值模拟及机理分析  58-64
  5.1 预拉伸控制焊接残余应力的有限元数值模拟  58-61
    5.1.1 预拉伸有限元模型的建立  58-59
    5.1.2 预拉伸焊接数值模拟结果  59-61
  5.2 预拉伸降低焊接残余应力机理分析  61-63
    5.2.1 焊接残余应力产生过程的机理分析  61-62
    5.2.2 预拉伸降低焊接残余应力机理分析  62-63
  5.3 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  68-69
致谢  69-70

焊接接头残余应力释放及控制研究

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