残余应力对FPSO典型焊接节点疲劳强度影响研究

发布时间：2017-10-21 07:06

  本文关键词：残余应力对FPSO典型焊接节点疲劳强度影响研究

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【摘要】：FPSO在服役期间长期承受由波浪等引起的不断变化的交变载荷，在其焊接节点部位易产生疲劳破坏。FPSO多采用高强度钢建造，对焊接残余应力较为敏感。残余应力在外载荷作用下往往会发生一定程度的释放，从而使热点应力发生变化，最终对焊接节点的疲劳寿命产生影响。因此，分析焊接残余应力及其释放对FPSO典型焊接节点疲劳强度的影响尤为重要。 本文首先基于JTP规范对某12万吨FPSO建立了三舱段有限元整体模型，再进行典型焊接节点部位热点应力分析和疲劳寿命计算；然后对典型焊接节点进行了初始残余应力和残余应力释放有限元模拟与试验研究；最后分析了残余应力对典型焊接节点疲劳寿命的影响。本文主要研究工作与重要结论如下： （1）首先基于JTP规范对FPSO三舱段模型进行整体强度计算，根据结果确定FPSO典型节点位置：舭部与船底连接处（典型节点一）和肋板与纵舱壁连接的肘板趾端（典型节点二）；然后分别对其建立精细网格有限元模型，并进行局部应力分析；最后计算典型节点疲劳寿命，结果均满足船东50年的寿命要求。 （2）采用ANSYS的APDL语言对典型焊接节点二的初始焊接残余应力进行有限元模拟，结果显示在焊趾区域残余应力较大，且为拉应力；同时研究了典型焊接节点的几何和工艺参数对初始残余应力的影响，，分析表明：焊接残余应力的最大值随着焊接面板厚度与焊接最高温度的增加而增加，随着腹板厚度的增加而减小。 （3）在得到FPSO典型焊接节点初始残余应力的基础上，对残余应力在外载荷作用下的释放进行有限元模拟。同时探讨了外载荷对残余应力释放的影响，研究表明：随着外载荷大小的增加，残余应力释放值逐渐变大；残余应力的释放不受外载荷周期数的影响，仅与外载荷的最大幅值有关。 （4）采用X射线无损检测法进行初始残余应力以及加载释放后的残余应力试验测量，结果显示模拟值与测量值基本吻合，从而验证了初始焊接残余应力与残余应力释放的有限元模拟方法的可靠性。 （5）基于S-N曲线法研究了残余应力及释放对FPSO典型焊接节点疲劳强度的影响。分析表明：残余应力对典型焊接节点疲劳寿命有降低作用；典型焊接节点预载荷越大，残余应力的释放量越大，从而使疲劳寿命增加。
【关键词】：FPSO 典型焊接节点 残余应力 试验 疲劳强度
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.4;U674.38
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-21
• 1.1 研究背景和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势16-19
• 1.2.1 FPSO 船体疲劳强度研究现状16-17
• 1.2.2 船舶结构焊接残余应力研究现状17-18
• 1.2.3 船舶结构焊接残余应力的释放研究现状18
• 1.2.4 焊接残余应力对船舶结构疲劳寿命影响研究现状18-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第2章 焊接过程有限元分析理论以及疲劳强度理论21-34
• 2.1 概述21-25
• 2.1.1 焊接有限元数值模拟的特点21
• 2.1.2 焊接有限元分析模型的简化21-22
• 2.1.3 焊接热源模型22-25
• 2.2 焊接温度场有限元数值模拟25-28
• 2.2.1 焊接传热基本定律25-26
• 2.2.2 焊接温度场的基本方程26-27
• 2.2.3 焊接温度场的有限元求解27-28
• 2.3 焊接应力场有限元数值模拟28-30
• 2.3.1 应力应变关系29
• 2.3.2 有限元基本方程29-30
• 2.3.3 焊接应力场的有限元求解30
• 2.4 疲劳强度计算方法概述30-34
• 2.4.1 S-N 曲线方法30-32
• 2.4.2 断裂力学方法32-33
• 2.4.3 两种疲劳分析方法对比33-34
• 第3章 基于 JTP 规范的 FPSO 典型节点疲劳寿命分析34-52
• 3.1 FPSO 三舱段强度分析34-43
• 3.1.1 FPSO 主尺度34
• 3.1.2 FPSO 舱段模型34-36
• 3.1.3 边界条件36-38
• 3.1.4 计算工况以及计算载荷38-43
• 3.2 典型节点的选取43-45
• 3.3 精细网格有限元计算模型45-46
• 3.4 疲劳寿命预报46-51
• 3.4.1 疲劳热点应力计算46-47
• 3.4.2 S-N 曲线的选取47-48
• 3.4.3 疲劳累积损伤计算48-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第4章 FPSO 典型焊接节点初始残余应力研究52-73
• 4.1 FPSO 典型焊接节点模型试件尺寸52-54
• 4.2 典型焊接节点初始残余应力有限元模拟54-61
• 4.2.1 材料热物理性能及力学性能55
• 4.2.2 有限元模型的建立以及网格划分55-56
• 4.2.3 单元类型56-57
• 4.2.4 焊接热源以及生死单元技术57
• 4.2.5 边界条件57-58
• 4.2.6 有限元分析58-61
• 4.3 初始焊接残余应力的试验测量61-65
• 4.3.1 试验方法简介61-62
• 4.3.2 试验步骤62-65
• 4.3.3 试验测量结果65
• 4.4 有限元模拟值与试验测量值对比65-66
• 4.5 参数变化对残余应力影响研究66-72
• 4.5.1 面板厚度67-68
• 4.5.2 腹板厚度68-70
• 4.5.3 焊接最高温度70-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第5章 FPSO 典型焊接节点残余应力释放研究73-86
• 5.1 残余应力释放的有限元模拟73-75
• 5.1.1 典型焊接节点模型73
• 5.1.2 外载荷以及边界条件73
• 5.1.3 外载荷下的残余应力释放有限元分析73-75
• 5.2 残余应力释放的试验研究75-77
• 5.2.1 残余应力释放的加载试验75-76
• 5.2.2 释放后的残余应力试验测量76-77
• 5.3 不同外载荷对残余应力释放的影响77-80
• 5.3.1 加载端与未加载端残余应力释放情况对比77-78
• 5.3.2 0.5t 外载荷作用下残余应力的释放78-79
• 5.3.3 0.8t 外载荷作用下残余应力的释放79-80
• 5.3.4 不同外载下的残余应力释放对比80
• 5.4 载荷循环次数与幅值对残余应力释放的影响80-85
• 5.4.1 多个循环次数的等幅外载对残余应力释放的影响81-83
• 5.4.2 多个循环次数的变幅外载对残余应力释放的影响83-85
• 5.5 本章小结85-86
• 第6章 残余应力对 FPSO 典型焊接节点疲劳寿命影响研究86-97
• 6.1 FPSO 典型焊接节点疲劳寿命计算86-93
• 6.1.1 典型焊接节点模型86
• 6.1.2 边界条件以及载荷86-88
• 6.1.3 疲劳寿命计算88-93
• 6.2 考虑残余应力释放时不同预载荷对疲劳寿命的影响93-96
• 6.3 本章小结96-97
• 第7章 总结与展望97-99
• 7.1 本文总结97-98
• 7.2 研究展望98-99
• 参考文献99-102
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文102-103
• 致谢103

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