焊接三维残余应力的检测与数值模拟

论文摘要

随着现代工业的发展,焊接技术正渗透到桥梁、汽车、船舶、电力、石油、化工以及航空航天等各个领域,焊接结构产品的质量要求也越来越高,尤其是对焊接残余应力的要求更为苛刻,对残余应力的检测技术也提出了更高要求,即准确可靠、快速而且非破坏性。采用数值模拟技术研究焊接过程在焊接领域计算机应用中占有重要位置,通过焊接模型的建立,焊接工艺参数的输入,再应用计算机进行大量计算,就能得出焊接构件的应力场分布状态。通过电解逐层腐蚀剥层法与X射线衍射法对船用结构钢Q345中厚板对接焊和角接焊的焊接残余应力进行测量;通过数值模拟的方法,利用大型有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,构建并分析焊接模型的温度场和应力应变场,并对测试和模拟结果进行对比,确定数值模拟结果是否具有准确性,分析并总结影响X射线衍射法测量焊接残余应力准确性和有限元模型精度的因素。实验结果表明:①采用电化学腐蚀剥层方法,对Q345钢平板对接焊试件进行了剥层处理。在剥层过程中,考虑了影响腐蚀过程、腐蚀面质量以及腐蚀速率的多种因素。根据腐蚀电流的变化以及腐蚀效果随时间的变化可把恒压腐蚀过程分为电解腐蚀阶段和电解抛光阶段。采用恒压腐蚀并对其他几个主要因素进行适当控制,对Q345焊板进行长时间、大面积、大深度腐蚀,可获得较好的腐蚀效果。结果表明电化学腐蚀剥层在表层残余应力测试中具有较好的应用效果。②对有限元模型采用了分区网格划分。在焊缝区和热影响区,采用小尺寸网格划分,以保证计算精度;在远离焊缝区采用单元大尺寸网格划分,以减小运算量、提高运算效率。模型计算采用直接法,各区耦合单元都选用SOLID5,以提高非线性计算的收敛性。采用生死单元法,实现了不同道次焊缝的模拟焊接,使模型更贴近多道焊焊接实际过程。③通过对比测试结果和模拟结果,不论是平板对接焊缝还是角接焊,其沿层深方向分布的残余应力在平行、垂直于焊缝方向应力测量值与有限元模型模拟值大体上是比较吻合的,拟合曲线变化趋势大致相同,但个别测试点与模拟点存在一定误差。这说明数值模拟较贴合真实焊接情况。本课题为进一步研究选择合理的焊接方式和工艺参数以及后续研究焊接变形与焊接残余应力的变化规律提供了有效的参考。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题工程背景
• 1.2 焊接残余应力
• 1.2.1 残余应力的概念
• 1.2.2 焊接残余应力的概念
• 1.2.3 焊接残余应力的产生原理
• 1.2.4 影响焊接残余应力的因素
• 1.2.5 焊接残余应力的特点
• 1.3 国内外残余应力测试方法的研究现状
• 1.3.1 传统的残余应力测量方法
• 1.3.2 新型残余应力测量方法
• 1.3.3 残余应力测量法的发展趋势
• 1.4 国内外焊接数值模拟的研究现状
• 1.5 课题研究的意义和主要内容
• 1.5.1 课题研究的意义
• 1.5.2 课题的主要内容
• 2 X 射线残余应力测试的理论基础
• 2.1 X 射线衍射的基础理论
• 2.2 X 射线应力测量原理
• 3 Q345 钢焊接试件的电化学腐蚀剥层
• 3.1 焊接试样的选择
• 3.1.1 平板对接焊试样的制备
• 3.1.2 角接焊试样的制备
• 3.2 X 射线法在深层测量中存在的问题
• 3.3 电化学腐蚀剥层的优点
• 3.4 电解腐蚀剥层方案的确定
• 3.5 腐蚀剥层实验过程
• 3.5.1 平板对接焊缝腐蚀实验过程
• 3.5.2 角接焊缝腐蚀实验
• 3.6 腐蚀剥层实验结果
• 3.6.1 对接焊缝腐蚀结果
• 3.6.2 角接焊缝腐蚀结果
• 3.6.3 电解腐蚀剥层结果
• 4 Q345 钢焊接试件残余应力的测量
• 4.1 试件应力测试的前处理
• 4.2 应力测试仪器、设备
• 4.3 试件的残余应力测量
• 4.3.1 平板对接焊试件的残余应力测量
• 4.3.2 角接焊试件的残余应力测量
• 4.4 单面剥层后残余应力的修正
• 4.4.1 应力修正方法的推导
• 4.4.2 修正公式的C 语言编程
• 5 焊接有限元模型的建立和运算
• 5.1 焊接过程的有限元分析原理
• 5.1.1 焊接温度场的计算原理
• 5.2 有限元模型参数的测量
• 5.2.1 弹性模量E 与屈服强度σs 的测量计算
• 5.3 有限元模型的过程
• 5.3.1 平板对接焊有限元模拟过程的关键点
• 5.3.2 角接焊缝的有限元模拟
• 6 有限元模拟结果及模拟值与实测值的对比分析
• 6.1 对接焊有限元模拟结果
• 6.2 对接焊模拟值与实测值的对比分析
• 6.2.1 沿层深残余应力分布实测值与模拟值的对比
• 6.2.2 垂直焊缝方向横向残余应力实测值与模拟值的对比
• 6.2.3 平行焊缝方向纵向残余应力实测值与模拟值的对比
• 6.3 角接焊有限元模拟结果
• 6.4 角接焊模拟值与实测值的对比分析
• 6.4.1 沿层深横向残余应力分布的实测值与模拟值的对比
• 6.4.2 垂直焊缝方向横向残余应力实测值与模拟值的对比
• 6.5 实测与模拟对比结果
• 6.6 实测和模拟误差分析
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录I
• 附录II
• 作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果目录