详情

原文传递加筋圆柱壳结构的焊接变形预测与残余应力评估

论文题名：	加筋圆柱壳结构的焊接变形预测与残余应力评估
关键词：	加筋圆柱壳结构;焊接变形;残余应力;热源模型
摘要：	加筋圆柱壳作为潜艇、海洋工程及航空航天等领域的常用结构形式，必须具备可靠的结构强度与承载能力以应对使用过程中外部恶劣的动静态载荷及内部不定时出现的局部突变载荷，故对其建造质量的要求近乎苛刻。焊接作为加筋圆柱壳结构建造过程中必不可少的加工工艺，本身便极具复杂性，其是电弧热输入、焊缝金属熔化再凝固、局部不均匀收缩及塑性变形的复合作用。焊缝质量与焊接工艺、坡口及金属材质等诸多因素有关，且直接影响最终产品的质量，这使得焊接变形与应力的高精度预测成为必要。受限于成本与技术难度，进行大量试验探究焊接过程中热流传递和力学行为并不现实。随着高性能计算机技术的快速发展，基于焊接学基本理论的热-弹-塑性有限元方法被开发并实现了焊接非线性问题的精准求解，可以获得焊接全程的温度、应变与应力。　　本文基于自主开发的热-弹-塑性有限元计算代码，针对加筋圆柱壳结构建造中涉及的直焊缝、环形焊缝以及相贯线焊缝的焊接变形及应力特征进行了研究。首先以Q235钢T型焊接接头为研究对象，开展试验及数值模拟研究，初步厘清了热源模型对焊接变形与残余应力计算精度与效率的影响，并基于对瞬态温度场及应力应变计算结果的评估，验证了所采用焊接工艺的合理性。接着提出基于固定热源模型的大型复杂焊接结构焊接热-力学响应的快速预测方法，且在环形加筋结构中进行了工程应用。最后依据相同的母材及焊缝金属热物理性能、焊接工艺和热源模型参数，采用数值模拟的方式对环形焊缝、相贯线焊缝及其叠加作用场的温度变化、应力及变形分布进行了分析。结果表明　　（1）采用双椭球移动热源与固定热源模拟电弧热输入，获得的T型接头瞬态熔池截面在横向与深度方向上的温度分布基本一致，但固定热源模型忽略了沿焊接方向上热源前端与后端的热流分布差异。整段固定热源模拟获得的焊接残余应力分布与移动热源模拟结果几乎一致；而分段施加固定热源，则会引起接头“几何端部效应”加剧以及焊缝区域高拉应力区面积减小，纵向残余应力的精度降低，对横向残余应力的影响较小。此外，焊接变形的计算精度受到热源长度的显著影响，且仅当固定热源长度与移动热源的瞬态熔池长度相一致时，可以确保计算精度。　　（2）移动热源模拟获得的环形加筋结构焊接变形较固定热源模拟结果更接近试验数值，误差主要源于切割、辊弯以及装配等加工工艺未被计及的变形量；而采用整段固定热源模拟电弧焊过程时，整条焊道同时升温与降温，沿焊缝方向上的周围材料对于焊缝金属热膨胀的约束作用被弱化，最终导致焊接变形的数值偏小。工程应用过程中，对于环形加筋结构这类焊缝长、焊道数量多、结构尺寸大以及热过程复杂的焊接结构，采用整段固定热源可以获得精度较高的残余应力，且计算效率提高。　　（3）基于对相贯线焊缝结构瞬态温度场及应力应变计算结果的评估，发现分段固定热源模拟获得瞬态温度场具有部分移动热源的温度场特征，在一定程度上还原了未被整段固定热源充分考虑的焊缝纵向热流、沿焊接方向拘束作用、引弧熄弧及熔滴过渡行为等，对于复杂结构长焊缝的合理分段可以有效提高焊接变形的计算精度。复杂焊接结构最终的温度分布、塑性应变、焊接变形以及残余应力等是所有焊接过程热-力学响应作用场的叠加，并受近距离电弧热输入的影响最为显著。
作者：	申超男
专业：	船舶工程
导师：	王江超;高嵩
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2022