GJ钢焊接方管截面残余应力的测定和分析

论文摘要

焊接残余应力对焊接构件的刚度和稳定性有重要影响,然而,目前尚未对GJ钢焊接构件中焊接残余应力分布进行研究。本文以通用有限元软件ANSYS作为分析工具,以GJ钢板焊接方管为研究对象,对其焊接过程的温度场和应力场进行模拟。以实际焊接过程为依据,考虑较厚板焊接通常采用多层焊,建立焊接方管的多层焊的三维几何模型,并采用高温下钢材的物理性能参数,以基于生死单元的焊接热源加载模型为移动焊接热源,编制焊接温度场和应力场分析的APDL命令流进行分析,获得焊接方管焊接温度场随时间变化的曲线和最终残余应力分布规律。运用盲孔法对GJ钢板焊接方管的残余应力进行实例测定,通过对测定数据的分析整理,拟合出焊接方管残余应力的分布曲线,得到其截面残余应力的分布模式,并与理论分析数据进行对比,归纳作为影响焊接方管稳定承载力实验的因素,为后续对其计算模式不定性的分析提供基础数据。通过数值模拟分析及实验测定发现:焊接方管纵向残余应力的实测和理论计算分布模式相似;残余压应力分布接近于水平直线,残余拉应力的最大值达到钢材的屈服强度;壁板外表面和内表面的残余应力数值不同;焊接工序对焊接方管的纵向残余应力分布有显著影响,先焊焊缝附近的残余应力数值小于后焊焊缝附近的残余应力。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 残余应力
• 1.1.1 焊接残余应力产生的原因
• 1.1.2 焊接残余应力对焊接结构的影响
• 1.2 焊接残余应力的数值模拟
• 1.2.1 焊接残余应力数值模拟的国外研究现状
• 1.2.2 焊接残余应力数值模拟的国内研究现状
• 1.2.3 焊接残余应力数值模拟的重要成果
• 1.3 焊接残余应力的测定方法
• 1.3.1 全破坏性测定方法
• 1.3.2 局部破坏性测定方法
• 1.3.3 非破坏性测定方法
• 1.4 盲孔法测定焊接残余应力
• 1.4.1 盲孔法测定焊接残余应力的国外研究现状
• 1.4.2 盲孔法测定焊接残余应力的国内研究现状
• 1.4.3 盲孔法存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 焊接温度场分析理论
• 2.1 热传递定律
• 2.1.1 热传导定律
• 2.1.2 对流传热定律
• 2.1.3 辐射传热定律
• 2.2 焊接温度场
• 2.2.1 焊接温度场的一般特征
• 2.2.2 焊接温度场的类型
• 2.2.3 焊接温度场的基本方程
• 2.2.4 焊接热循环
• 2.3 非线性瞬态热传导的有限元分析
• 2.3.1 空间域的离散
• 2.3.2 时间域的离散
• 2.3.3 非线性热传导方程的解法
• 3 热弹塑性理论
• 3.1 热弹塑性分析假定
• 3.1.1 屈服准则
• 3.1.2 流动准则
• 3.1.3 强化准则
• 3.2 热弹塑性本构关系
• 3.2.1 弹性区的应力应变关系
• 3.2.2 塑性区的应力应变关系
• 3.3 平衡方程
• 3.4 热弹塑性问题的求解
• 4 实验构件设计制作
• 4.1 构件几何尺寸设计
• 4.2 焊缝形式
• 4.3 构件制作加工
• 5 焊接温度场数值模拟
• 5.1 焊接过程有限元分析
• 5.1.1 有限元方法简介
• 5.1.2 焊接过程有限元分析的特点
• 5.1.3 焊接过程有限元模型的简化
• 5.2 焊接残余应力的数值模拟方法
• 5.3 有限元模型的建立
• 5.3.1 建立几何模型
• 5.3.2 定义材料属性
• 5.3.3 单元选择
• 5.3.4 网格划分
• 5.4 热源选择及施加
• 5.4.1 热源模型的选择
• 5.4.2 热源的移动
• 5.5 边界约束条件
• 5.6 温度场的分析和求解
• 5.6.1 设定荷载步选项
• 5.6.2 设置瞬态积分参数和使用线性搜索
• 5.6.3 求解计算
• 5.7 焊接温度场分析
• 5.7.1 焊接过程温度场分布
• 5.7.2 焊缝各点温度时间历程曲线
• 5.7.3 焊件各点温度时间历程曲线
• 6 焊接应力场数值模拟
• 6.1 有限元模型的建立
• 6.1.1 几何模型的建立
• 6.1.2 定义材料属性
• 6.2 荷载及边界条件
• 6.3 求解计算
• 6.4 焊接应力场分析
• 6.4.1 焊接方管400*400*16 分析数据
• 6.4.2 焊接方管400*400*25 分析数据
• 6.4.3 焊接方管600*600*35 分析数据
• 6.4.4 焊接方管700*700*50 分析数据
• 7 盲孔法测定焊接残余应力
• 7.1 盲孔法测定残余应力的基本原理
• 7.2 盲孔法的实验操作技术
• 7.2.1 测点布置
• 7.2.2 盲孔法实验设备
• 7.2.3 应变花的选择
• 7.2.4 盲孔法测定残余应力的步骤
• 7.3 焊接残余应力实验结果
• 7.3.1 焊接方管400*400*16 实验数据
• 7.3.2 焊接方管400*400*25 实验数据
• 7.3.3 焊接方管600*600*35 实验数据
• 7.3.4 焊接方管700*700*50 实验数据
• 7.4 实测焊接残余应力分布模式
• 7.4.1 焊接方管400*400*16 残余应力分布模式
• 7.4.2 焊接方管400*400*25 残余应力分布模式
• 7.4.3 焊接方管600*600*35 残余应力分布模式
• 7.4.4 焊接方管700*700*50 残余应力分布模式
• 8 焊接方管残余应力分布模式
• 8.1 焊接方管400*400*16 残余应力分布模式
• 8.2 焊接方管400*400*25 残余应力分布模式
• 8.3 焊接方管600*600*35 残余应力分布模式
• 8.4 焊接方管700*700*50 残余应力分布模式
• 9 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目