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基于试验的海工用大型复杂焊接结构残余应力数值模拟
| 论文题名： | 基于试验的海工用大型复杂焊接结构残余应力数值模拟 |
| 关键词： | 海工用大型焊接结构;残余应力;有限元模型;数值模拟 |
| 摘要： | 焊接残余应力严重影响着大型焊接结构服役的安全性和可靠性，采用数值计算方法对焊接过程进行模拟有助于了解焊接应力演变的过程。现代焊接结构向着大型化和复杂化发展，较大模型使得数值计算效率低下，严重阻碍数值计算在大型焊接结构中的应用。本文在综述国内外焊接结构残余应力数值模拟研究的基础上，采用试验加数值计算的方法分析海工用大型复杂焊接结构残余应力状态，重点研究了该类大型结构焊接残余应力的高效数值计算方法和应力演变过程。首先，采用试验对 EQ56试板和大型焊接结构焊缝周围的残余应力进行测试，基于试验进行 EQ56试板多道焊残余应力数值计算，在此基础上进行焊道数目以及带状热源长度的简化，为大型三维模型高效计算提供基础；然后，建立大型复杂焊接结构的二维平面应变模型，研究两种不同坡口的焊缝焊道数目对应力场计算结果的影响；最后，在焊道简化结果和高效热源模型的基础上进行大型模拟件三维焊接残余应力场的计算，并对比试验结果，选取三条路径分别研究不同焊缝焊完后的应力状态，从而得出焊接过程中的应力演化过程。 焊道简化和带状热源长度优化结果表明：计算的 EQ56试板上下表面应力分布和试验结果相近，说明计算模型、网格大小和计算方法合理；对于本文中计算的小试板32道焊接模型，可简化为7~11道计算，能兼顾计算效率和精度；对于250mm长焊缝残余应力数值计算而言，热源分段数目大于2段时能保证一定的计算精度，且计算效率显著提高。 针对大型模拟件二维平面应变模型的研究表明：V型坡口与K型坡口未简化焊道的应力分布与简化后的应力分布趋势较接近，最大拉应力都是出现在焊缝与轴承座连接的位置，与实际焊接过程中存在的危险区吻合。从残余应力的计算精度以及三维大型模拟件的计算效率考虑，V型坡口35道焊缝可以简化成5道进行三维大型模拟件的简化计算，K型坡口19道焊缝也可以简化成5道进行三维大型模拟件的简化计算。 用焊道简化结果和高效热源模型计算所获得的大型模拟件三维焊接残余应力场，其应力分布状态和数值与实际测试结果基本一致。大型模拟件三个方向残余应力都会产生较大的残余应力，y方向产生的应力最大。大型模拟件中肘板和轴承座焊接区域三个方向的应力非常大，是危险区域。主要原因是肘板-前板焊缝、月牙板-轴承座焊缝以及肘板-月牙板焊缝这3条焊缝的收缩力对肘板-轴承座焊缝造成的弯矩作用而引起附加应力与焊接残余应力的叠加作用。 |
| 作者： | 冯俊 |
| 专业： | 材料加工工程 |
| 导师： | 邹家生 |
| 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 |
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