DH40高强钢大厚板焊接及焊接残余应力有限元分析

论文摘要

DH40船用钢具有强度高、低温韧性好、耐腐蚀、抗疲劳等特性,主要用于建造大型船舶及海上石油、钻井平台等,然而厚板焊接加工会引起接头局部不均匀的热塑性变形和相变,从而产生焊接残余应力。焊接残余应力会导致船体结构使用过程中的变形,早期开裂,脆性断裂等,因此,开展对DH40船用钢大厚板材料的研究,对于提高船舶重要受力结构的使用可靠性将具有十分重要的意义。本课题采用FCAW、SAW的焊接方法,使用多层多道焊接技术条件下,以DH40船用钢（t=60mm）为研究对象,将在不同的焊接工艺参数条件下得到的焊接接头,使用光学显微镜和SEM扫描电镜,观察了接头中的M-A组织微观结构,统计了M-A岛的面积百分数,测试了焊件焊缝熔敷金属和焊缝热影区金属冲击韧性和M-A组元及附近基体的显微硬度,分析了金相微观组织对焊缝接头力学性能影响的内在规律。研究结果表明:一定数量的大块状的硬而脆的M-A组织,产生应力集中,在较高的拉伸残余应力的作用下,使得熔合线外5mm处冲击韧性值明显降低。此外,利用ANSYS有限元分析软件,采用APDL参数化语言,建立DH40高强钢厚板（板厚60mm）X形坡口焊缝的有限元模型,分别对典型平板对接接头的温度场、应力场进行分析,得到了厚板焊接残余应力的分布规律。模拟结果表明:纵向残余应力沿焊缝中心线呈对称分布,在焊缝附近区域产生较高的纵向残余拉应力,最大值约为390MPa,接近屈服极限,在达到峰值后在一定的范围内保持不变,形成稳定区;在远离焊缝区则过渡为压应力,最大压应力值为296MPa;横向残余应力在焊缝中心出现拉应力但很小,一般在0MPa-35MPa之间,在远离焊缝区域出现压应力,压应力的峰值处于130MPa-200MPa,分布曲线趋于抛物线分布,压应力峰值随X轴方向而递减;厚度方向上以纵向残余应力和横向残余应力为主,厚度中间区域的纵向和横向残余应力均小于焊缝上下表面处的纵向和横向残余应力。下表面的纵向和横向残余应力大于上表面的纵向和横向残余应力。垂直应力既有压应力,也有拉应力,变化幅度较小,多在零点附近变动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 DH40低合金高强钢焊接性分析
• 1.3 焊接残余应力产生原因及影响
• 1.4 焊接数值模拟国内外研究现状
• 1.4.1 焊接数值模拟概况
• 1.4.2 焊接温度场的数值模拟
• 1.4.3 焊接残余应力的数值模拟
• 1.4.4 厚板焊接数值模拟的难点问题
• 1.5 本课题的研究内容
• 第2章 试验材料、设备和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.3 ANSYS 有限元软件模拟
• 2.4 微观组织观察与分析
• 2.5 显微硬度试验
• 2.6 M-A 岛相面积百分比测试
• 2.7 夏比冲击试验
• 第3章 焊接温度场模拟计算及结果分析
• 3.1 引言
• 3.2 前处理
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 单元类型的选择
• 3.2.3 网格的划分
• 3.2.4 定义材料属性
• 3.2.5 热源模型的确定
• 3.2.6 加载和求解
• 3.3 焊接过程温度场分布
• 3.4 取样点热循环曲线
• 3.5 本章小节
• 第4章 焊接残余应力计算及结果分析
• 4.1 焊接内应力的基本概念
• 4.2 厚板焊接残余应力研究
• 4.3 焊接应力场计算方法
• 4.4 焊接应力场的分析
• 4.4.1 建立模型
• 4.4.2 施加载荷和求解
• 4.5 焊接残余应力场数值模拟结果及分析
• 4.5.1 等效应力分布
• 4.5.2 冷却后残余应力分布
• 4.5.3 残余应力的计算结果
• 4.5.4 残余应力计算结果分析
• 4.6 本章小节
• 第5章 M-A 组织分析与讨论
• 5.1 引言
• 5.2 典型宏观金相分析
• 5.3 M-A 组织的观察与分析
• 5.3.1 M-A 组织概貌
• 5.3.2 熔合线外5mm 处显微形貌
• 5.3.3 熔合线外2mm 处显微形貌
• 5.3.4 焊缝中心处显微形貌
• 5.4 M-A 岛显微硬度测试结果分析
• 5.5 M-A 岛的面积百分数分析
• 5.6 冲击实验结果分析
• 5.7 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 大摘要