典型焊接接头残余应力及对疲劳裂纹扩展影响研究

发布时间：2021-02-03 15:31

　　在现代船舶与海洋工程结构物中通常存在着大量的高强度钢焊接结构件,通过它们将船舶的各个部分连接成为一个整体。这些焊接结构中包括常见的平板焊接接头以及浮式储油结构物中的典型船用焊接接头等。这些焊接接头在焊接过程中不可避免的产生焊接残余应力并对整体结构的疲劳强度产生影响,而高强度钢又对焊接残余应力较为敏感。这些焊接结构在服役过程中长期受到来自波、浪、流等引起的交变载荷作用,导致其焊缝区域易产生裂纹,长此以往终将导致结构发生疲劳断裂。目前对于考虑残余应力变化带来的结构强度影响的研究较少,因此开展残余应力对典型焊接接头疲劳强度影响研究对合理的评估和预报焊接结构的疲劳强度具有重要的参考价值。本文基于热-弹塑性和断裂力学等相关理论,对高强度钢典型焊接接头的残余应力及对疲劳裂纹扩展的影响进行研究。主要的研究工作及结论如下:（1）对长焊缝高强度钢对接焊平板模型1、高强度钢对接焊平板模型2以及船用典型焊接接头进行残余应力的数值模拟研究,并通过中子衍射法对模型2进行试验研究,结果显示数值模拟与试验测量结果较为吻合。模型1和模型2的横向焊接残余拉应力的峰值位置均出现在焊趾附近,而远离焊缝的区域应力分布相对较小... 

【文章来源】：江苏科技大学江苏省

【文章页数】：101 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状和发展趋势
        1.2.1 疲劳强度研究现状
        1.2.2 焊接残余应力研究现状
        1.2.3 考虑残余应力的裂纹扩展研究现状
        1.2.4 裂纹扩展影响下残余应力重分布的研究
    1.3 本文主要研究内容
        1.3.1 本文主要研究内容
第2章 焊接有限元分析与疲劳裂纹扩展基础理论
    2.1 焊接有限元分析
        2.1.1 焊接有限元数值模拟分析方法
        2.1.2 焊接有限元分析的特点
        2.1.3 焊接过程的有限元分析简化
    2.2 焊接温度场有限元分析基础理论
        2.2.1 焊接热源模型分类
        2.2.2 焊接传热基本定律
        2.2.3 焊接温度场的微分方程及边界条件
        2.2.4 焊接温度场有限元求解
    2.3 焊接应力场有限元分析基础理论
        2.3.1 应力应变计算准则
        2.3.2 应力应变关系
        2.3.3 应力场求解有限元方程
    2.4 裂纹扩展相关理论
        2.4.1 裂纹扩展模型
        2.4.2 疲劳裂纹的形成及影响裂纹扩展的因素
        2.4.3 疲劳裂纹扩展准则
第3章 完整平板对接焊接接头残余应力数值模拟研究
    3.1 焊接残余应力的数值模拟分析流程
    3.2 长焊缝平板模型1焊接残余应力有限元分析
        3.2.1 研究对象及尺寸
        3.2.2 有限元模型及焊接工艺参数
        3.2.3 材料参数
        3.2.4 温度场数值模拟结果
        3.2.5 残余应力场数值模拟结果
    3.3 平板模型2焊接残余应力有限元分析
        3.3.1 研究对象及尺寸
        3.3.2 焊接工艺参数及网格模型
        3.3.3 焊接温度场及残余应力场模拟结果
    3.4 平板模型2焊接残余应力试验验证
        3.4.1 试验对象及目的
        3.4.2 残余应力测量方法
        3.4.3 测点方案
        3.4.4 测量设备及调试
        3.4.5 测量结果分析
    3.5 本章小结
第4章 完整船用典型焊接接头残余应力数值模拟研究
    4.1 船用典型焊接接头几何模型及材料参数
        4.1.1 几何模型及尺寸
        4.1.2 焊接工艺及材料参数
    4.2 船用典型焊接接头焊接残余应力数值模拟
        4.2.1 有限元模型的建立
        4.2.2 边界条件
        4.2.3 船用典型焊接接头温度场数值模拟结果
        4.2.4 船用典型焊接接头应力场数值模拟结果
    4.3 完整船用典型焊接接头外载荷下残余应力变化及释放研究
        4.3.1 边界条件及载荷
        4.3.2 结构加载后残余应力变化研究
        4.3.3 外载荷作用下残余应力的释放研究
        4.3.4 不同外载荷作用下残余应力的释放情况
    4.4 本章小结
第5章 含初始裂纹的典型焊接接头残余应力重分布研究
    5.1 含初始裂纹的长焊缝平板模型1残余应力重分布研究
        5.1.1 初始裂纹的位置
        5.1.2 初始裂纹的导入
        5.1.3 含初始裂纹的模型1 残余应力重分布研究
    5.2 含初始裂纹的船用典型焊接接头残余应力重分布研究
        5.2.1 初始裂纹的位置
        5.2.2 初始裂纹的导入及含裂纹模型
        5.2.3 含初始裂纹的船用焊接接头残余应力重分布研究
    5.3 本章小结
第6章 考虑残余应力重分布的典型焊接接头裂纹扩展研究
    6.1 疲劳裂纹扩展有限元方法
    6.2 影响裂纹扩展的因素
    6.3 长焊缝平板模型1表面裂纹扩展研究
        6.3.1 疲劳载荷及扩展参数设置
        6.3.2 表面裂纹尺寸及扩展规律
        6.3.3 裂纹面形状变化规律
        6.3.4 裂纹扩展中残余应力的重分布研究
    6.4 船用典型焊接接头疲劳裂纹扩展研究
        6.4.1 疲劳载荷及扩展参数设置
        6.4.2 表面裂纹扩展规律
        6.4.3 裂纹面形状变化规律
        6.4.4 残余应力重分布规律
        6.4.5 应力强度因子变化规律
    6.5 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 本文的主要工作及相关结论
    7.2 研究工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
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[2]一种复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法[J]. 张鼎,黄小平,崔维成.  船舶力学. 2015(05)
[3]焊接残余应力对疲劳寿命影响的定量研究[J]. 卞如冈,崔维成,万正权,李良碧,王铭伟.  船舶力学. 2011(07)
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[9]基于热点应力的FPSO焊接结构疲劳问题研究[J]. 王甲畏,王德禹.  船舶工程. 2005(01)
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博士论文
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硕士论文
[1]残余应力场对超高强钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为的影响[D]. 熊祥.哈尔滨工业大学 2014
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[3]Q345qD钢焊接接头疲劳强度和疲劳裂纹扩展性能试验研究[D]. 张晓君.长安大学 2013
[4]基于权函数法的焊接结构疲劳裂纹扩展寿命计算[D]. 赵邦杰.大连理工大学 2013
[5]残余应力对焊接接头表面裂纹扩展的影响[D]. 徐晓丽.大连理工大学 2013
[6]残余应力对舰船纵骨在不同对接工艺下极限强度的影响研究[D]. 沈杰.江苏科技大学 2012
[7]交变载荷下厚板表面焊接残余应力的松弛研究[D]. 罗白璐.武汉理工大学 2010
[8]厚壁压力容器焊接残余应力及变形的数值研究[D]. 张美丽.西安理工大学 2010
[9]T型接头焊接温度场与应力场的数值模拟[D]. 毕艳霞.浙江大学 2007
[10]焊接结构的残余应力研究[D]. 佘昌莲.武汉理工大学 2006



本文编号：3016745