球罐焊接残余应力数值模拟研究

论文摘要

球罐是一种以焊接为主要加工手段的压力容器,结构大且复杂,广泛应用于石油、化工、冶金等行业。球罐的焊接过程将伴随着焊接应力的产生,并在最后形成残余应力,这将影响到球罐的安全性能。因此,对球罐的焊接过程进行数值模拟,认识焊接过程应力的变化以及最后残余应力的形成,有很重要的现实意义。本文首先以平板焊接接头试件为研究对象,利用X射线法对平板焊接接头的焊后残余应力进行测试,应用有限元法动态数值模拟试件焊接接头的焊接过程,获得了焊接残余应力的相关数据,并将模拟结果与测试结果进行比对,结果证实该模拟方法可行；采用三维数值方法模拟球罐焊接过程,得到了球罐焊接接头的温度场和应力场。本文主要做了以下几部分研究工作：以两个材质不同的平板焊接接头试件(一个材质为Q245R,一个材质为Q345R)为研究对象,利用X射线应力测试法测试了试件焊后残余应力,得到相应的应力分布。应用ANSYS有限元分析软件,数值模拟两个试件焊接条件和焊接过程,得到了焊接接头在焊接过程中温度场、应力应变场的变化及分布规律,并将模拟所得焊接残余应力与之前测试结果相比较,证明了数值模拟方法的可行性。利用ANSYS有限元分析软件构建球罐环焊缝的三维有限元分析模型,考虑了温度对材料的热物理性能和力学性能的影响,基于“单元生死”技术,参数化编制命令流模拟每层焊道的填充过程,并且采用高斯热源模拟焊接电弧的热输入,对焊接过程施加热载荷,得到了焊接过程温度场的动态变化过程,以焊接温度场分析为基础计算得到焊接应力场的动态分布规律。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及其意义
• 1.2 国内外焊接温度场研究概况
• 1.3 国内外焊接应力场研究概况
• 1.4 本文的研究方法和主要内容
• 第二章 中厚板焊接温度场的数值模拟
• 2.1 焊接热传导基本方程
• 2.2 几何模型的建立和网格划分
• 2.3 材料的特性参数
• 2.4 热源模型的选择
• 2.5 热源移动和金属填充的实现
• 2.6 中厚板焊接温度场模拟结果与分析
• 2.6.1 1#试件焊接温度场的计算结果与分析
• 2.6.1.1 焊接温度场分布云图
• 2.6.1.2 焊接热循环曲线
• 2.6.2 2#试件焊接温度场的计算结果
• 2.6.2.1 焊缝中心各点温度随时间变化曲线
• 2.6.2.2 垂直焊缝方向各点温度随时间变化曲线
• 2.7 本章小结
• 第三章 中厚板焊接应力场的数值模拟及实测
• 3.1 焊接应力-应变分析基本理论
• 3.1.1 Von Mises屈服准则
• 3.1.2 流动准则
• 3.1.3 强化准则
• 3.2 1#试件焊接热应力计算结果与分析
• 3.2.1 1#试件第一层焊道焊接时及焊后应力分布
• 3.2.2 1#试件焊后残余应力分布
• 3.2.3 1#试件焊接热应力曲线分析
• 3.2.3.1 沿焊缝垂直方向分布的应力与时间的关系
• 3.2.3.2 沿焊缝平行方向分布的应力与时间的关系
• 3.2.3.3 焊后残余应力计算结果
• 3.3 2#试件焊接热应力计算结果
• 3.3.1 2#试件第一层焊道焊接时应力分布
• 3.3.2 2#试件焊后残余应力分布情况
• 3.3.2.1 垂直焊缝方向应力分布情况
• 3.3.2.2 平行焊缝方向应力分布情况
• 3.4 基于X射线衍射法的残余应力测试
• 3.4.1 X射线应力测试原理
• 3.4.2 X射线应力测试仪
• 3.4.3 X射线法残余应力测试过程
• 3.4.4 X射线法残余应力测试点的分布
• 3.4.5 X射线法残余应力测试结果
• 3.4.5.1 1#试件数值模拟与实测结果对比
• 3.4.5.2 2#试件数值模拟与实测结果对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 球罐环焊缝焊接过程三维有限元数值模拟
• 4.1 球罐焊接温度场的模拟
• 4.1.1 几何模型的建立和网格的划分
• 4.1.2 热源的移动和金属填充的实现
• 4.1.3 焊接温度场计算结果与分析
• 4.1.3.1 焊接温度场分布云图
• 4.1.3.2 焊接热循环曲线
• 4.2 球罐焊接应力场的模拟
• 4.2.1 瞬态应力场计算结果与分析
• 4.2.1.1 球罐环焊缝焊接应力分布
• 4.2.1.2 焊后残余应力场计算结果
• 4.3 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介