交变载荷作用下焊接残余应力场的特性研究

论文摘要

由焊接产生的残余应力,是导致焊接裂纹和接头性能降低的重要因素,对结构的静强度、疲劳强度、稳定性、刚度以及应力腐蚀开裂等均存在着不可忽视乃至于致命的影响,所以在考虑结构的强度、使用寿命等问题时,必须将焊接残余应力的影响考虑在内。船舶与海洋结构物在海洋环境风、浪、流的作用下产生结构交变响应,是导致结构疲劳损伤的主要因素,与此同时,在交变载荷的作用下,结构内部残余应力的大小和分布也会发生不可忽略的变化。本文旨在研究交变载荷对残余应力场的影响,并通过数值模拟预测多道焊焊接温度场和应力场的分布情况。本文基于小孔释放法测量残余应力的方法,通过试验研究交变载荷对焊接残余应力场产生的影响。试验中准备了两块相同尺寸的试件,每块试件均采用相同的焊接方法与参数,以便得到相同的焊接残余应力场。由于试件的对称性可认为焊接残余应力场关于焊缝中心线对称分布。首先,利用小孔法确定原有残余应力场;然后对试件施加不同参数的交变载荷,测试改变之后的残余应力场。结果表明交变载荷在一定程度上能使焊接残余应力重新分布,焊接残余应力的改变与初始应力分布形式、材料的应力应变曲线、交变载荷幅值和交变周次有关系。本文在总结前人工作的基础上,系统地论述了焊接过程的有限元分析理论,并结合数值计算的方法,对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究,提出了基于ANSYS软件的多道焊温度场和应力场的模拟分析方法,并针对平板两道焊接问题进行了实例计算,计算结果与传统结果相吻合。利用本文模拟分析方法,可以对多道焊焊接过程的热应力及残余应力进行预测,并为优化焊接结构工艺和焊接规范参数,提供了理论依据和指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况和发展趋势
• 1.3 本文研究内容
• 2 焊接残余应力的相关理论
• 2.1 焊接残余应力的产生与分布
• 2.1.1 焊接残余应力的产生机理
• 2.1.2 焊接残余应力的分布规律
• 2.1.3 焊接残余应力的性质和对结构的影响
• 2.2 焊接残余应力的测量方法
• 2.2.1 小孔法测量原理
• 2.2.2 小孔布置要求
• 3 试验研究交变响应下焊接残余应力场的稳定性与变化
• 3.1 交变载荷对焊接残余应力的影响机理
• 3.1.1 交变响应下材料的应力应变曲线
• 3.1.2 交变载荷对焊接残余应力场的影响
• 3.2 试验简介
• 3.2.1 试验目的
• 3.2.2 试验试件和设备工具
• 3.2.3 试验测量残余应力
• 3.3 试验结果及分析
• 4 焊接过程有限元分析理论
• 4.1 有限元方法简介
• 4.2 焊接温度场的有限元分析
• 4.2.1 传热学基本理论
• 4.2.2 焊接温度场有限元计算
• 4.3 焊接应力场的有限元分析
• 4.3.1 材料的弹塑性基本理论
• 4.3.2 热弹塑性有限元计算
• 5 平板对接多道焊焊接残余应力的数值模拟计算
• 5.1 建立有限元模型
• 5.1.1 焊接有限元模型的简化
• 5.1.2 单元类型和网格划分
• 5.2 焊接温度场数值模拟计算
• 5.2.1 材料的热物理参数
• 5.2.2 焊接热输入和焊料填充
• 5.2.3 边界条件和求解
• 5.2.4 焊接温度场计算结果分析
• 5.3 焊接应力场数值模拟计算
• 5.3.1 材料的力学物理参数
• 5.3.2 施加载荷及熔池零应力处理
• 5.3.3 边界条件及求解
• 5.3.4 焊接应力场计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢