残余应力对焊接接头表面裂纹扩展的影响

发布时间：2017-03-29 06:17

  本文关键词：残余应力对焊接接头表面裂纹扩展的影响，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：船舶与海洋结构物属于大型复杂焊接结构,大多数海洋结构物的脆性断裂都发生在焊缝处。研究发现,焊接过程中产生的残余应力显著地影响疲劳裂纹扩展行为,并最终影响疲劳裂纹寿命。因此,在计算结构的疲劳寿命时,考虑残余应力对焊接接头表面裂纹扩展的影响,对于更加准确地理解焊接结构的疲劳行为和估算结构的疲劳寿命,具有十分重要的意义。 本文通过焊接残余应力场和疲劳裂纹的有限元数值模拟,以及残余应力场到疲劳裂纹模型的映射计算,研究了焊接残余应力场对表面裂纹应力强度因子以及疲劳裂纹寿命的影响。共开展了以下三个方面的工作： (1)在对热传导理论系统学习的基础上,运用有限元计算软件ANSYS,对平板对接焊进行三维有限元模拟,通过温度场与应力场的弱耦合,求得无裂纹状态的残余应力场。 (2)为了得到残余应力场对表面裂纹疲劳寿命的影响,采用了多点约束(MPC)方法以及等参逆映射方法,将残余应力场导入到裂纹模型中。在建立焊缝处表面裂纹有限元模型时引入MPC方法以简化建模过程,将裂纹模型分为细化区域和非细化区域；运用等参逆映射方法插值计算细化区域内全部计算节点的局部坐标以及对应的位移量,与非细化区域内的节点位移一起导入到表面裂纹模型中,通过位移场的传递来实现残余应力场的施加。 (3)以线弹性断裂力学分析方法为基础,采用ANSYS软件循环计算裂纹模型在残余应力场中和拉伸循环载荷下的应力强度因子；根据弹性叠加原理,采用Forman公式计算结构在有无残余应力场中的疲劳裂纹寿命,对两者进行对比分析。 以上数值分析结果表明：焊接残余应力场的出现,使得在垂直于裂纹面的方向产生很大的拉应力,加速了疲劳裂纹扩展,疲劳寿命显著减少；另外,随着裂纹的扩展,残余应力发生释放,残余应力场对裂纹扩展的影响越来越小。
【关键词】：焊接残余应力 表面裂纹 等参逆映射方法 疲劳裂纹扩展寿命
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U671.8
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景及意义9
• 1.2 国内外研究概况9-14
• 1.3 本文研究内容14-15
• 2 焊接残余应力的数值模拟计算15-30
• 2.1 焊接残余应力的相关理论15-20
• 2.1.1 焊接残余应力的产生机理15-16
• 2.1.2 焊接残余应力的分布规律16-19
• 2.1.3 焊接残余应力的特性以及对结构的影响19-20
• 2.2 焊接过程的有限元分析20-29
• 2.2.1 焊接温度场分析21-24
• 2.2.2 焊接应力场分析24-29
• 2.3 本章小结29-30
• 3 焊缝处表面裂纹的数值模拟计算30-41
• 3.1 疲劳断裂力学的相关理论30-35
• 3.1.1 线弹性断裂力学的基本理论30-34
• 3.1.2 疲劳裂纹扩展理论34-35
• 3.2 表面裂纹的有限元分析35-40
• 3.2.1 有限元计算应力强度因子的基本原理36
• 3.2.2 表面裂纹的数值模拟计算36-40
• 3.3 本章小结40-41
• 4 焊接残余应力场到裂纹模型中的映射41-55
• 4.1 等参逆映射方法的实现41-46
• 4.1.1 等参逆映射的定义及原理41-43
• 4.1.2 等参逆映射的实现方法43-46
• 4.2 等参逆映射方法的验证46-52
• 4.2.1 计算粗网格模型的应力场47-48
• 4.2.2 粗网格模型应力场的映射48-49
• 4.2.3 对试算结果的验证49-52
• 4.3 焊接残余应力场的映射52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 焊接残余应力场对疲劳裂纹寿命的影响55-61
• 5.1 残余应力场中疲劳裂纹扩展速率的计算原理55-57
• 5.2 焊接残余应力场对表面裂纹疲劳寿命的影响分析57-60
• 5.2.1 表面裂纹扩展寿命的计算57-58
• 5.2.2 焊接残余应力场中表面裂纹的疲劳裂纹寿命分析58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 结论61-62
• 参考文献62-65
• 附录A 验证模型的映射65-69
• 附录B 残余应力场的映射69-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 朱以文,李伟,蔡元奇;基于解析性质的等参有限元逆变换高效算法[J];武汉大学学报(工学版);2002年02期

2 徐燕萍,项阳,刘泉声,吕爱钟;等参元逆变换插值法的研究及其应用[J];岩土力学;2001年02期

3 候维廉;焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响[J];压力容器;1996年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 徐利霞;焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究[D];大连理工大学;2006年

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本文编号：273863