钛钢复合板焊接接头应力应变场有限元分析

论文摘要

钛钢复合板由于具有低成本、高强度以及良好的耐蚀性,近年来在钛制压力容器制造中逐渐替代工业纯钛成为主要的制造材料。然而在钛钢复合板焊接过程中由于钛与铁之间会形成低熔点共晶体和脆性金属间化合物,将严重影响接头的性能,因而不能将二者直接熔焊在一起,需要采用间接的接头形式来实现基层钢板、钛复层焊接过程的相互独立。因此,设计合理的间接接头形式,并根据压力容器的承载条件与焊接接头可能产生的缺陷,分析焊接接头在工作载荷下的应力应变分布状态,对保障钛钢复合板制压力容器的安全可靠性具有十分重要的工程意义。本文中利用有限元计算软件建立了五种不同焊接接头形式的有限元模型,综合考虑工作温度、工作压力、焊接残余应力以及接头形式的影响,计算并分析了不同接头形式在各工作载荷下的应力应变场分布,总结了各接头形式在不同工作温度下的失效载荷。计算与分析结果表明不同的焊接接头形式具有不同的焊接残余应力场分布,且焊接残余应力均在一定程度上降低了复合板的承载能力。同时,五种间接焊接接头形式中,前三种接头形式对温度载荷产生应力具有缓和作用,但会削弱复合板局部的承载能力,适合工作在较高的工作温度下;后两种接头形式无以上两种作用,适合工作在较低的工作温度下。进一步,针对焊接接头可能出现的冷裂纹问题,采用断裂力学中的J积分准则对焊接接头中典型的纵向表面裂纹安全性进行了研究。在研究过程中首先验证了在MSC.Marc软件中采用1/4节点奇异单元法建立裂纹体有限元模型计算裂纹尖端J积分的可行性及准确性,并研究了裂纹尺寸对裂纹尖端J积分的影响。在此基础上,对实际的焊接接头裂纹体模型进行了适当的简化,综合考虑工作载荷、裂纹深度以及焊接残余应力的影响,计算了2.5mm以下裂纹深度的裂纹体裂纹尖端J积分。计算结果表明:在许可工作载荷下,焊接接头纵向表面裂纹在裂纹深度小于2.5mm时沿深度方向扩展倾向不明显,不会对钛钢复合板焊接接头的安全性造成严重影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 课题国内外研究现状概述
• 1.2.1 压力容器焊接过程有限元数值模拟
• 1.2.2 钛及钛合金焊接过程有限元数值模拟
• 1.2.3 钛及钛合金焊接缺陷研究进展
• 1.2.4 裂纹尖端J 积分有限元计算分析
• 1.3 课题研究主要内容
• 第2章 钛钢复合板焊接接头网格划分及前处理
• 2.1 钛钢复合板焊接
• 2.2 几何模型的选取
• 2.3 焊接接头网格划分
• 2.4 有限元模型前处理
• 2.4.1 材料定义及加载
• 2.4.2 焊接热源定义
• 2.4.3 初始条件及边界条件
• 2.5 本章小结
• 第3章 工作载荷下焊接接头应力场分布研究
• 3.1 压力容器焊接接头残余应力场
• 3.2 工作温度作用下焊接接头应力场分布
• 3.3 工作压力作用下接头应力场分布
• 3.4 工作温度与压力共同作用下接头应力场分布
• 3.5 接头形式对焊接接头应力场分布的影响
• 3.5.1 五种接头应力集中分析
• 3.5.2 接头形式对温度载荷单独作用下应力场分布的影响
• 3.5.3 接头形式对内压载荷作用下应力场分布的影响
• 3.6 焊接残余应力作用下接头工作应力分布
• 3.7 本章小结
• 第4章 表面裂纹尖端弹塑性J 积分有限元计算
• 4.1 引言
• 4.2 表面裂纹尖端应力场及应力强度因子
• 4.3 裂纹体有限元建模方法研究
• 4.4 三维裂纹体模型的二维简化可行性研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 焊接接头表面裂纹J 积分有限元计算
• 5.1 焊接接头裂纹体受力状态分析及裂纹模式研究
• 5.2 内压单独作用下焊接接头裂纹尖端J 积分
• 5.3 温度和内压共同作用下焊接接头裂纹尖端J 积分
• 5.4 考虑焊接残余应力时裂纹尖端J 积分
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢