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原文传递残余应力对船舶典型焊接接头疲劳强度影响试验和数值预报研究

论文题名：	残余应力对船舶典型焊接接头疲劳强度影响试验和数值预报研究
关键词：	船舶焊接;锥柱耐压结构;高强度钢;焊接接头;残余应力;疲劳强度;数值模拟
摘要：	大型船舶水上和水下结构越来越受到工程界的关注，这些大型船舶结构所处的工作环境往往十分复杂，它们受到多种载荷的周期性作用，结构容易发生疲劳破坏。为了提高强度，大型船舶水上水下结构通常采用高强度钢建造。在保证结构承载力的情况下结构的疲劳强度有所降低，这就有必要对结构的疲劳寿命进行校核。由于这些大型结构都是焊接结构，不可避免地会在结构内部产生焊接残余应力，因此在进行疲劳寿命校核时必须考虑到焊接残余应力的影响。因此，研究船舶典型焊接接头焊接残余应力对疲劳强度的影响是一项十分重要的工作。　　本文分别选取 FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头为研究对象，首先对典型焊接接头进行了初始残余应力和残余应力随外载荷释放的有限元模拟与试验研究；然后进行了受载后残余应力变化对疲劳寿命影响的计算分析和疲劳寿命试验。本文主要研究工作与重要结论如下：　　（1）以高强度钢FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头试件模型为研究对象，基于大型商用有限元软件ANSYS的参数化有限元分析语言APDL二次开发及生死单元技术编写相应的焊接模拟程序，进行典型焊接接头初始残余应力模拟和残余应力释放模拟研究。　　（2）对FPSO典型焊接接头试件初始焊接残余应力进行数值模拟，结果表明：FPSO典型焊接接头初始焊接残余应力最大值位于焊趾处，表现为拉应力。随着远离焊趾，残余应力逐渐减小，部分转变为压应力。然后采用 X射线无损检测方法对初始残余应力进行测量，其应力分布与有限元计算结果相一致。　　（3）对锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行初始焊接残余应力数值模拟，结果表明：凹锥表面表现为拉伸残余应力，应力幅值位于在焊缝熔合线处，焊缝区残余应力呈双峰分布，凸锥表面表现为残余压应力，压应力幅值位于焊缝中心线附近，焊缝区残余应力呈单峰分布。随着远离焊缝区，残余应力迅速减少并趋于零。然后采用 X射线无损检测方法对初始残余应力进行测量，其应力分布与有限元计算结果相一致。　　（4）在得到初始残余应力的基础上，对FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行了焊接残余应力释放数值模拟，研究了外载荷对残余应力的影响，结果显示：当试件经过一定的外载荷释放后，残余应力显著减小，其分布趋势基本不变，随着外载荷的增大，残余应力释放更多，但载荷的作用次序以及作用次数对残余应力的释放没有影响，残余应力的释放只与载荷的最大幅值有关。然后对释放后的残余应力进行试验测量研究，应力分布与有限元模拟所得结论相同，说明了本文所采用的计算焊接残余应力的数值模拟方法是合理可靠的。　　（5）对FPSO典型焊接接头试件热点应力进行计算，基于S-N曲线法计算其疲劳寿命，对比了考虑残余应力和不考虑残余应力情况下的疲劳寿命，结果表明，在考虑残余应力影响下的疲劳寿命明显小于不考虑残余应力影响的疲劳寿命。　　（6）基于局部应力应变法对锥柱耐压结构典型焊接接头试件疲劳寿命进行计算，对比了考虑残余应力和不考虑残余应力情况下的疲劳寿命，结果表明，残余应力的存在大大减小了疲劳寿命，焊接残余应力对疲劳的影响至关重要，不可忽略。然后对锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行疲劳试验研究，结果显示：试验值与计算结果十分接近，说明本文所使用的计算疲劳寿命的方法是合理的。
作者：	张亦文
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李良碧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文