同一截面焊接结构完整性理论与试验研究

发布时间：2019-08-27 17:09

【摘要】：随着焊接工艺水平的提高，“一刀齐”总段合拢工艺已应用于国内大型船企民用船舶建造中。“一刀齐”对接工艺的采用，为分段无余量合拢提供了有利条件，极大的减轻了两段船体在船台上合拢的工作量，，有效缩短了产品研制时间和生产周期。但是，采用“一刀齐”对接工艺后船体的强度、刚度、残余应力和焊接变形、疲劳寿命等是否会有较大影响，影响程度如何等关键技术并没有进行过深入的研究和探讨。 本文在理论研究和试验对比的基础上，建立了典型焊接接头焊接残余应力数值预报方法，分析了典型焊接接头焊接残余应力的分布规律及其对结构极限强度的影响；基于多尺度理论拟合得出了含裂纹典型焊接接头极限强度计算公式；引入新R6失效评判图对典型焊接接头开展了失效评判，计算了典型焊接接头在某荷载下的临界裂纹长度；进行了不同初始裂纹长度下典型焊接接头的疲劳寿命预报；开展了典型焊接结构极限强度和疲劳强度试验研究。通过论文的系统研究，取得了一下主要研究成果： 1）通过平板对接焊数值模拟和试验值的对比分析，建立了典型焊接接头焊接过程有限元数值模拟的方法和流程。进而开展了不同对接工艺典型焊接接头的焊接温度场、应力场的数值模拟研究，获得了不同对接工艺典型焊接接头的焊接温度场、应力场的分布规律和各自的特点。 2）针对不同边界固定方式、不同焊材强度匹配对典型焊接接头焊接残余应力场和位移场的影响开展研究。研究结果表明，不同的边界固定方式会使不同对接工艺下的典型焊接接头的焊接残余应力场和位移场重新分布，但对于残余应力和焊接变形的最大值没有影响；采用不同焊材强度匹配对焊接残余应力有一定的影响，不同匹配间的最大差值为80MPa。 3）把多尺度理论与有限元技术相结合的方法用于含微裂纹缺陷结构极限承载能力研究。利用本构逼近法，把含微裂纹缺陷结构极限承载能力研究过程划分成介观尺寸模型研究和宏观尺寸模型研究两部分进行研究；把含微裂纹介观尺寸模型作为典型焊接接头的宏观结构中区别于常规材料属性的部分嵌套至整体模型中参与计算，并建立了基于L4的正交表计算方案，开展典型焊接接头整体结构的极限强度计算。 4）基于大量的算例，拟合得出了包含相对裂纹长度（RCL）、裂纹分布深度(CD)和裂纹分布比例(CRD)三个变量不同对接形式下典型焊接接头极限强度计算公式。基于极限强度拟合公式，分别开展了相对裂纹长度（RCL）、裂纹分布深度(CD)和裂纹分布比例(CRD)变量对典型焊接接头极限承载能力影响的研究。同时，也开展了焊接残余应力对结构极限强度的影响研究。 5）利用新R6失效评定图的失效评定方法，对典型焊接接头进行了失效评定。通过失效评定，获得了典型焊接接头随初始裂纹长度变化的失效路径曲线。根据失效路径曲线可以得到不同对接形式的对接接头的临界初始裂纹长度。同时，针对第三章提出的焊接结构允许最小裂纹长度进行了失效评定研究，研究结果为结构的完整性评估提供了有力的参考。 6）根据新R6失效评定图的方法,开展了典型焊接接头在167MPa、220MPa、335MPa和418MPa四种工作应力水平下的失效评定研究。通过失效评定研究，获得了四种工作应力水平下典型焊接接头的临界裂纹尺寸，并把获得的各评判点的裂纹临界尺寸与试验测试结果进行了对比分析，两者吻合较好。 7）针对上述采用的微裂纹尺度，开展了含初始裂纹典型焊接接头的疲劳寿命预报。通过疲劳寿命预报，获得了初始裂纹长度与疲劳寿命的关系曲线，并根据典型焊接接头的疲劳试验结果与预报的疲劳寿命进行对比分析，获得了试验结构的初始裂纹长度。
【图文】：

图 2.1 焊接温度场、应力场、应变场和显微组织状态场的相互关系.2.1 The relationship of Temperature field, stress field, strain field and microstructure较合理的描述焊接过程中残余应力、焊接变形的产生机理和特性，通特性分解为温度场、应力场、变形场和显微组织状态场进行分析。研究法对采用数值分析方法开展焊接残余应力和焊接变形的研究很有价值场、变形场、显微组织状态场之间的关系如图 2.1 所示。于焊接传热学过程的特点，建立了焊接温度场和应力场有限元数值模程。针对典型焊接接头进行了焊接过程的有限元数值模拟研究，获得艺的典型焊接接头焊接残余应力场和位移场的分布特点和规律。同时界条件、不同焊材强度匹配对典型焊接接头残余应力场和位移场分布过程的有限元数值模拟

图 2.2 距焊缝不同距离各点的焊接热循环Fig.2.2 The weld thermal cycle different points away from t速度极高，在一般电弧焊时，可以达到 200—390 材金属相变点，会对焊件冷却后的微观组织结构变度，加热最高温度是对金属组织变化起到决定性影响缝距离的不同会造成靠近焊缝区域的微观组织结构要指在相变点温度上停留的时间。时间越长，金属
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U671.8

【参考文献】

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本文编号：2529891