残余应力对船舶典型焊接接头疲劳强度影响试验和数值预报研究
发布时间:2017-08-10 18:52
本文关键词:残余应力对船舶典型焊接接头疲劳强度影响试验和数值预报研究
更多相关文章: 船舶 FPSO 锥柱耐压结构 典型焊接接头 残余应力 试验 疲劳强度 数值模拟
【摘要】:大型船舶水上和水下结构越来越受到工程界的关注,这些大型船舶结构所处的工作环境往往十分复杂,它们受到多种载荷的周期性作用,结构容易发生疲劳破坏。为了提高强度,大型船舶水上水下结构通常采用高强度钢建造。在保证结构承载力的情况下结构的疲劳强度有所降低,这就有必要对结构的疲劳寿命进行校核。由于这些大型结构都是焊接结构,不可避免地会在结构内部产生焊接残余应力,因此在进行疲劳寿命校核时必须考虑到焊接残余应力的影响。因此,研究船舶典型焊接接头焊接残余应力对疲劳强度的影响是一项十分重要的工作。本文分别选取FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头为研究对象,首先对典型焊接接头进行了初始残余应力和残余应力随外载荷释放的有限元模拟与试验研究;然后进行了受载后残余应力变化对疲劳寿命影响的计算分析和疲劳寿命试验。本文主要研究工作与重要结论如下:(1)以高强度钢FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头试件模型为研究对象,基于大型商用有限元软件ANSYS的参数化有限元分析语言APDL二次开发及生死单元技术编写相应的焊接模拟程序,进行典型焊接接头初始残余应力模拟和残余应力释放模拟研究。(2)对FPSO典型焊接接头试件初始焊接残余应力进行数值模拟,结果表明:FPSO典型焊接接头初始焊接残余应力最大值位于焊趾处,表现为拉应力。随着远离焊趾,残余应力逐渐减小,部分转变为压应力。然后采用X射线无损检测方法对初始残余应力进行测量,其应力分布与有限元计算结果相一致。(3)对锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行初始焊接残余应力数值模拟,结果表明:凹锥表面表现为拉伸残余应力,应力幅值位于在焊缝熔合线处,焊缝区残余应力呈双峰分布,凸锥表面表现为残余压应力,压应力幅值位于焊缝中心线附近,焊缝区残余应力呈单峰分布。随着远离焊缝区,残余应力迅速减少并趋于零。然后采用X射线无损检测方法对初始残余应力进行测量,其应力分布与有限元计算结果相一致。(4)在得到初始残余应力的基础上,对FPSO典型焊接接头和锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行了焊接残余应力释放数值模拟,研究了外载荷对残余应力的影响,结果显示:当试件经过一定的外载荷释放后,残余应力显著减小,其分布趋势基本不变,随着外载荷的增大,残余应力释放更多,但载荷的作用次序以及作用次数对残余应力的释放没有影响,残余应力的释放只与载荷的最大幅值有关。然后对释放后的残余应力进行试验测量研究,应力分布与有限元模拟所得结论相同,说明了本文所采用的计算焊接残余应力的数值模拟方法是合理可靠的。(5)对FPSO典型焊接接头试件热点应力进行计算,基于S-N曲线法计算其疲劳寿命,对比了考虑残余应力和不考虑残余应力情况下的疲劳寿命,结果表明,在考虑残余应力影响下的疲劳寿命明显小于不考虑残余应力影响的疲劳寿命。(6)基于局部应力应变法对锥柱耐压结构典型焊接接头试件疲劳寿命进行计算,对比了考虑残余应力和不考虑残余应力情况下的疲劳寿命,结果表明,残余应力的存在大大减小了疲劳寿命,焊接残余应力对疲劳的影响至关重要,不可忽略。然后对锥柱耐压结构典型焊接接头试件进行疲劳试验研究,结果显示:试验值与计算结果十分接近,说明本文所使用的计算疲劳寿命的方法是合理的。
【关键词】:船舶 FPSO 锥柱耐压结构 典型焊接接头 残余应力 试验 疲劳强度 数值模拟
【学位授予单位】:江苏科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:U661.4
【目录】:
- 摘要6-8
- Abstract8-16
- 第1章 绪论16-22
- 1.1 研究背景和意义16-17
- 1.2 国内外研究现状及趋势17-21
- 1.2.1 焊接残余应力数值模拟研究现状17-18
- 1.2.2 焊接残余应力试验测试研究现状18-19
- 1.2.3 外载荷对焊接残余应力影响研究现状19-20
- 1.2.4 焊接残余应力对疲劳强度影响研究现状20-21
- 1.3 本文主要的研究内容21-22
- 第2章 焊接残余应力有限元分析理论及疲劳强度理论22-36
- 2.1 焊接有限元分析概述22-23
- 2.1.1 焊接有限元分析的特点22
- 2.1.2 焊接有限元模型的简化22-23
- 2.2 焊接温度场有限元分析23-29
- 2.2.1 焊接热源模型23-25
- 2.2.2 焊接传热的三种方式25-26
- 2.2.3 焊接温度场的微分方程及边界条件26-27
- 2.2.4 焊接温度场的有限元求解27-29
- 2.3 焊接应力场有限元分析29-31
- 2.3.1 简化假定29
- 2.3.2 应力应变关系29-30
- 2.3.3 有限元平衡方程30-31
- 2.3.4 焊接应力场的有限元求解31
- 2.4 疲劳强度计算方法概述31-36
- 2.4.1 疲劳强度计算方法31-32
- 2.4.2 线性疲劳累积损伤理论32
- 2.4.3 热点应力计算及S-N曲线32-34
- 2.4.4 局部应力应变法的相关计算34-35
- 2.4.5 局部应力应变法中的应变-寿命曲线35-36
- 第3章 船舶典型焊接接头焊接残余应力数值模拟研究36-62
- 3.1 ANSYS热-力耦合分析基本过程及方法36-37
- 3.2 单元类型37
- 3.3 生死单元技术37
- 3.4 FPSO典型焊接接头初始残余应力数值模拟研究37-46
- 3.4.1 试件尺寸及材料参数37-40
- 3.4.2 建立有限元模型及网格划分40-41
- 3.4.3 边界条件41-42
- 3.4.4 计算结果42-46
- 3.5 FPSO典型焊接接头残余应力释放研究46-50
- 3.5.1 载荷及边界条件46
- 3.5.2 载荷大小对残余应力释放的影响46-48
- 3.5.3 恒幅循环载荷对残余应力释放的影响48-49
- 3.5.4 变幅循环载荷对残余应力释放的影响49-50
- 3.6 锥柱耐压结构典型焊接接头初始残余应力数值模拟研究50-57
- 3.6.1 试件尺寸及材料参数50-51
- 3.6.2 建立有限元模型及网格划分51-53
- 3.6.3 边界条件53
- 3.6.4 计算结果53-57
- 3.7 锥柱耐压结构典型焊接接头残余应力释放研究57-61
- 3.7.1 载荷及边界条件57
- 3.7.2 载荷大小对残余应力释放的影响57-59
- 3.7.3 恒幅循环载荷对残余应力释放的影响59-60
- 3.7.4 变幅循环载荷对残余应力释放的影响60-61
- 3.8 本章小结61-62
- 第4章 船舶典型焊接接头焊接残余应力试验研究62-76
- 4.1 试验设备及原理62
- 4.2 试验步骤62-64
- 4.3 FPSO典型焊接接头初始焊接残余应力测量64-66
- 4.4 FPSO典型焊接接头焊接残余应力释放试验研究66-67
- 4.4.1 工装及加载66
- 4.4.2 测量结果66-67
- 4.5 锥柱耐压结构典型焊接接头初始焊接残余应力测量67-70
- 4.6 锥柱耐压结构典型焊接接头焊接残余应力释放试验研究70-75
- 4.6.1 工装及加载70-71
- 4.6.2 测量结果71-75
- 4.7 本章小结75-76
- 第5章 船舶典型焊接接头疲劳强度计算与试验研究76-91
- 5.1 FPSO典型焊接接头疲劳强度数值模拟研究76-81
- 5.1.1 尺寸及材料参数76
- 5.1.2 有限元模型及网格划分76
- 5.1.3 边界条件及加载76-78
- 5.1.4 不考虑焊接残余应力的疲劳寿命数值模拟78-79
- 5.1.5 考虑焊接残余应力的疲劳寿命数值模拟79-81
- 5.2 锥柱耐压结构典型焊接接头疲劳强度数值模拟研究81-87
- 5.2.1 尺寸及材料参数81
- 5.2.2 有限元模型及网格划分81-82
- 5.2.3 边界条件及加载82-84
- 5.2.4 不考虑焊接残余应力的疲劳寿命数值模拟84-85
- 5.2.5 考虑焊接残余应力的疲劳寿命数值模拟85-87
- 5.3 锥柱耐压结构典型焊接接头疲劳强度试验研究87-90
- 5.3.1 试件尺寸及工装87-88
- 5.3.2 加载及疲劳试验88-90
- 5.3.3 试验结果对比分析90
- 5.4 本章小结90-91
- 第6章 总结与展望91-93
- 6.1 本文总结91-92
- 6.2 研究展望92-93
- 参考文献93-98
- 攻读硕士学位期间发表的学术论文98-99
- 致谢99
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 刘玉君;李艳君;;确定焊接反变形的数值模拟及规律分析[J];船舶力学;2008年02期
2 李良碧;潘广善;万正权;王自力;卞如冈;;高强钢锥柱结合壳焊接残余应力的数值模拟和试验研究[J];船舶力学;2010年10期
3 潘红良,李培宁,李炜;焊接残余应力测试方法的研究[J];压力容器;1991年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 李华;焊接接头残余应力的数值模拟[D];大连交通大学;2007年
2 沈杰;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];江苏科技大学;2012年
,本文编号:652081
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/652081.html