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残余应力对深海耐压结构疲劳强度影响研究
| 论文题名： | 残余应力对深海耐压结构疲劳强度影响研究 |
| 关键词： | 深海耐压结构;钢锥柱;残余应力;疲劳强度;有限元分析 |
| 摘要： | 深海耐压结构大多采用高强度钢建造,对焊接残余应力的敏感程度增加。凸锥柱壳为深海耐压结构疲劳破坏的热点区域。焊接残余应力在一定外载荷的作用下会发生演变,残余应力的改变对深海耐压结构对结构疲劳强度评估有一定的影响。因此,合理分析焊接残余应力及其变化规律对保证深海耐压结构的安全是非常重要的。 本文首先对典型焊接接头的疲劳强度进行理论计算和试验研究;然后针对大尺度高强度钢锥柱耐压壳凸锥环焊缝处的残余应力进行数值模拟,研究了残余应力随几何和工艺参数的变化规律,并且分析了残余应力变化与试验内压及下潜深度之间的关系;最后探讨了大尺度高强度钢锥柱耐压壳疲劳寿命与几何和工艺参数、试验内压和下潜深度之间的关系。本文主要研究工作及结论如下: (1)采用MSC.Patran软件建立典型焊接接头有限元模型,对其疲劳应力进行分析;然后对典型焊接接头模型进行了疲劳寿命计算,并与疲劳试验结果进行对比验证,计算结果与试验结果基本一致;随着疲劳载荷的增加,典型焊接接头的疲劳寿命不断降低;由于试件存在缺陷、偏差及焊接残余应力等不良影响,疲劳寿命的有限元计算结果普遍高于试验结果。 (2)利用有限元分析软件ANSYS中的APDL语言编写了焊接模拟程序,对大尺度高强度钢锥柱耐压壳凸锥环焊缝处的焊接残余应力进行了数值模拟,得到其焊接残余应力的分布规律,并与试验结果进行对比。分析表明:锥柱耐压壳内壳表面轴向焊接残余应力为拉应力,残余拉应力随着距焊缝中心线距离的增加迅速下降;而外壳表面为残余压应力。 (3)凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余应力随柱端半径、凸锥角和焊接速度的增大而减小,随壳体厚度和焊接最高温度增加而加大;而凸锥环焊缝外壳轴向焊接残余应力变化不大。 (4)对深海耐压结构在内压试验阶段和潜浮阶段的残余应力演变规律进行分析。研究表明:随着内压试验压力增加,凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余拉应力减小。当内压试验5MPa后,下潜深度越大,凸锥环焊缝内壳轴向焊接残余拉应力变大;而凸锥环焊缝外壳轴向焊接残余压应力变化较小。 (5)锥柱耐压壳凸锥环焊缝处是疲劳破坏的热点区域;分析了残余应力对锥柱耐压壳疲劳寿命的影响。分析表明,对内压试验5MPa后且下潜深度500m的锥柱耐压壳疲劳寿命进行预测时应当考虑残余应力的影响,并且随着柱端半径、凸锥角、焊接最高温度和下潜深度的不断增加,锥柱耐压壳的疲劳寿命均逐渐降低;随着锥柱耐压壳体厚度的不断增加,锥柱耐压壳的疲劳寿命逐渐提高。 |
| 作者： | 张晓飞 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 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： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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