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残余应力对深海耐压结构疲劳强度影响研究

作　者: 张晓飞
导　师: 李良碧
学　校: 江苏科技大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 深海耐压结构锥柱残余应力疲劳强度试验有限元
分类号: U661.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

深海耐压结构大多采用高强度钢建造，对焊接残余应力的敏感程度增加。凸锥柱壳为深海耐压结构疲劳破坏的热点区域。焊接残余应力在一定外载荷的作用下会发生演变，残余应力的改变对深海耐压结构对结构疲劳强度评估有一定的影响。因此，合理分析焊接残余应力及其变化规律对保证深海耐压结构的安全是非常重要的。本文首先对典型焊接接头的疲劳强度进行理论计算和试验研究；然后针对大尺度高强度钢锥柱耐压壳凸锥环焊缝处的残余应力进行数值模拟，研究了残余应力随几何和工艺参数的变化规律，并且分析了残余应力变化与试验内压及下潜深度之间的关系；最后探讨了大尺度高强度钢锥柱耐压壳疲劳寿命与几何和工艺参数、试验内压和下潜深度之间的关系。本文主要研究工作及结论如下：（1）采用MSC.Patran软件建立典型焊接接头有限元模型，对其疲劳应力进行分析；然后对典型焊接接头模型进行了疲劳寿命计算，并与疲劳试验结果进行对比验证，计算结果与试验结果基本一致；随着疲劳载荷的增加，典型焊接接头的疲劳寿命不断降低；由于试件存在缺陷、偏差及焊接残余应力等不良影响，疲劳寿命的有限元计算结果普遍高于试验结果。（2）利用有限元分析软件ANSYS中的APDL语言编写了焊接模拟程序，对大尺度高强度钢锥柱耐压壳凸锥环焊缝处的焊接残余应力进行了数值模拟，得到其焊接残余应力的分布规律，并与试验结果进行对比。分析表明：锥柱耐压壳内壳表面轴向焊接残余应力为拉应力，残余拉应力随着距焊缝中心线距离的增加迅速下降；而外壳表面为残余压应力。（3）凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余应力随柱端半径、凸锥角和焊接速度的增大而减小，随壳体厚度和焊接最高温度增加而加大；而凸锥环焊缝外壳轴向焊接残余应力变化不大。（4）对深海耐压结构在内压试验阶段和潜浮阶段的残余应力演变规律进行分析。研究表明：随着内压试验压力增加，凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余拉应力减小。当内压试验5MPa后，下潜深度越大，凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余拉应力变大；而凸锥环焊缝外壳轴向焊接残余压应力变化较小。（5）锥柱耐压壳凸锥环焊缝处是疲劳破坏的热点区域；分析了残余应力对锥柱耐压壳疲劳寿命的影响。分析表明，对内压试验5MPa后且下潜深度500m的锥柱耐压壳疲劳寿命进行预测时应当考虑残余应力的影响，并且随着柱端半径、凸锥角、焊接最高温度和下潜深度的不断增加，锥柱耐压壳的疲劳寿命均逐渐降低；随着锥柱耐压壳体厚度的不断增加，锥柱耐压壳的疲劳寿命逐渐提高。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-16
第1章绪论  16-21
  1.1 研究背景  16
  1.2 国内外研究进展  16-19
    1.2.1 焊接残余应力数值模拟研究  16-18
    1.2.2 焊接残余应力演变规律研究  18
    1.2.3 焊接残余应力对疲劳影响研究  18-19
  1.3 焊接残余应力的试验测量方法  19
    1.3.1 钻孔法  19
    1.3.2 X 射线衍射法  19
  1.4 本文的主要研究内容  19-21
第2章焊接有限元分析及疲劳强度相关理论  21-33
  2.1 焊接有限元分析概述  21-23
    2.1.1 数值模拟方法分类  21
    2.1.2 焊接有限元分析的特点  21-22
    2.1.3 焊接有限元分析模型的简化  22-23
  2.2 焊接温度场有限元分析  23-27
    2.2.1 焊接传热的三种基本方式  23-24
    2.2.2 焊接温度场的微分方程及边界条件  24-25
    2.2.3 焊接温度场的有限元求解  25-27
  2.3 焊接应力场有限元分析  27-29
    2.3.1 简化假定  27-28
    2.3.2 应力应变关系  28
    2.3.3 有限元平衡方程  28-29
    2.3.4 焊接应力场的有限元求解  29
  2.4 疲劳寿命预测概述  29-33
    2.4.1 疲劳寿命预测的方法  29-30
    2.4.2 线性疲劳累积损伤理论(Miner 定律)  30-31
    2.4.3 局部应力应变法的相关计算  31-32
    2.4.4 局部应力应变法中的应变-寿命曲线  32-33
第3章典型焊接接头疲劳强度数值模拟与试验研究  33-53
  3.1 T 型焊接接头疲劳强度分析  33-41
    3.1.1 试件尺寸及材料  33
    3.1.2 有限元模型的建立  33
    3.1.3 网格划分  33-35
    3.1.4 边界条件及加载  35-36
    3.1.5 疲劳热点应力计算  36-39
    3.1.6 疲劳寿命计算  39-41
  3.2 对接焊接接头疲劳强度分析  41-49
    3.2.1 试件材料及尺寸  41-42
    3.2.2 有限元模型的建立  42
    3.2.3 网格划分  42-43
    3.2.4 边界条件及加载  43-44
    3.2.5 疲劳热点应力计算  44-46
    3.2.6 疲劳寿命计算  46-49
  3.3 T 型焊接接头疲劳强度试验  49-50
    3.3.1 工装设计  49
    3.3.2 疲劳寿命试验  49-50
  3.4 对接接头疲劳强度试验  50-51
    3.4.1 工装设计  50
    3.4.2 疲劳寿命试验  50-51
  3.5 疲劳强度结果及其分析  51-52
    3.5.1 T 型焊接接头疲劳寿命  51
    3.5.2 对接焊接接头疲劳寿命  51-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章大尺度锥柱耐压壳焊接残余应力研究  53-78
  4.1 大尺度锥柱耐压壳凸锥环焊缝的焊接残余应力数值模拟  53-61
    4.1.1 大尺度锥柱耐压壳尺寸及材料性能参数  53
    4.1.2 建立有限元模型及网格划分  53-55
    4.1.3 单元类型  55-56
    4.1.4 焊接热源  56
    4.1.5 边界条件  56-57
    4.1.6 有限元分析结果  57-61
  4.2 锥柱耐压壳凸锥环焊缝焊接残余应力的试验测量  61-63
    4.2.1 试验内容  61
    4.2.2 检测步骤  61
    4.2.3 试验仪器与设备  61-62
    4.2.4 检测结果  62-63
  4.3 模拟结果与试验测量值对比  63-65
  4.4 参数变化对初始残余应力影响研究  65-77
    4.4.1 柱端半径  65-67
    4.4.2 凸锥角  67-69
    4.4.3 壳体厚度  69-71
    4.4.4 焊接最高温度  71-75
    4.4.5 焊接速度  75-77
  4.5 本章小结  77-78
第5章内压试验及潜浮运动对锥柱耐压壳焊接残余应力的影响研究  78-93
  5.1 研究对象及位移边界条件  78-79
  5.2 节点力的边界条件  79
    5.2.1 内压试验时节点力的边界条件  79
    5.2.2 潜浮运动时节点力的边界条件  79
  5.3 内压试验对锥柱耐压壳焊接残余应力的影响  79-89
    5.3.1 内压 5MPa 时焊接残余应力有限元分析  79-81
    5.3.2 内压试验结束后焊接残余应力测量  81
    5.3.3 模拟结果与试验测量值对比  81-83
    5.3.4 不同内压下锥柱耐压壳焊接残余应力的变化  83-89
  5.4 潜浮运动对锥柱耐压壳焊接残余应力的影响  89-92
    5.4.1 外力加载  90
    5.4.2 内压 5MPa 试验后的潜浮运动焊接残余应力有限元模拟  90-92
  5.5 本章小结  92-93
第6章残余应力变化对锥柱耐压壳疲劳寿命影响研究  93-108
  6.1 大尺度锥柱耐压壳疲劳寿命研究  93-98
    6.1.1 不考虑残余应力时的锥柱耐压壳疲劳寿命研究  93-95
    6.1.2 考虑残余应力时的锥柱耐压壳疲劳寿命研究  95-97
    6.1.3 结果对比分析  97-98
  6.2 几何参数变化对锥柱耐压壳疲劳寿命的影响研究  98-103
    6.2.1 疲劳加载  98-101
    6.2.2 疲劳寿命计算结果  101-103
  6.3 焊接工艺参数变化对锥柱耐压壳疲劳寿命的影响研究  103-105
    6.3.1 有限元模型  103
    6.3.2 疲劳加载  103-104
    6.3.3 疲劳寿命计算结果  104-105
  6.4 潜浮深度变化对锥柱耐压壳疲劳寿命的影响研究  105-106
    6.4.1 有限元模型  105
    6.4.2 疲劳加载  105
    6.4.3 疲劳寿命计算结果  105-106
  6.5 本章小结  106-108
第7章总结与展望  108-110
  7.1 主要研究工作及结论  108-109
  7.2 进一步研究的工作展望  109-110
参考文献  110-113
攻读硕士学位期间发表的学术论文  113-114
致谢  114

残余应力对深海耐压结构疲劳强度影响研究

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