火箭贮箱超大薄壁结构焊接变形预测与机理研究

发布时间：2020-07-22 23:04

【摘要】：燃料贮箱是火箭箭体的重要组成部分,焊接工艺是其零部件连接的主要技术手段。贮箱焊后几何精度直接影响火箭制造质量及其服役性能。新一代大型火箭贮箱由于尺寸的增大,造成结构刚度显著下降,焊接夹具松开后结构翘曲变形更加明显,严重影响制造精度。贮箱薄壁结构刚度的下降加剧几何非线性影响,同时热力耦合作用下材料力学参数非均匀变化,这两方面因素造成超大薄壁结构焊接变形难以精确预测;焊接过程涉及材料、工艺与微观组织等众多参数,结构内部温度及应力场演化过程难以准确描述,导致焊接变形的有效控制存在困难。因此,研究超大薄壁结构焊接变形精确预测方法,揭示焊接变形产生机理并进行变形控制具有十分重要的意义。针对贮箱薄壁结构焊接过程,提出一种超大薄壁结构焊接变形精确预测方法,相对于固有应变法,提高焊接变形预测精度。以搅拌摩擦焊接工艺为对象,建立夹具卸载前焊接应力理论模型,研究焊缝区域的应力梯度演化特性,揭示薄壁结构焊接变形形成机理。基于焊接应力理论模型,建立非均匀应力下超大薄壁结构焊接失稳理论模型,提高焊接失稳临界载荷预测精度。最后,运用提出的超大薄壁结构焊接变形预测方法,进行火箭贮箱整体结构焊接变形预测,采用优选的焊接工艺参数,提高贮箱焊后几何精度。主要研究工作如下:(1)超大薄壁结构非线性焊接变形精确预测方法根据结构刚度划分焊缝区域以考虑焊接“边缘效应”,同时引入非焊接区的弹性约束,采用有限变形理论对薄壁结构局部焊缝区域的焊接过程进行数值计算,依据焊缝区域三维应力分布特征,将应力张量映射到整体结构,综合考虑焊接塑性变形引起的材料弹性模量变化,提出超大薄壁结构局部到整体的三维应力映射方法。以搅拌摩擦焊接为对象,研究薄壁结构焊接变形特性,并实验验证了其精确性。与固有应变法比较,该方法可以提高超大型薄壁结构焊接变形预测精度。(2)搅拌摩擦焊接作用下薄壁结构焊接变形机理研究针对搅拌摩擦焊接工艺,推导焊接过程轴对称分布的温度场函数,根据焊缝区域内结构平衡条件和屈服准则,求解焊接过程中的周向和径向应力,考虑冷却过程的收缩作用,建立夹具卸载前结构内部焊接应力理论模型,预测结果能够有效反映焊接应力“M”型分布特征。从理论上分析工艺参数对焊接应力演化规律的影响,研究不同工艺参数下薄壁结构厚度方向上的焊接应力梯度分布,建立其与搅拌摩擦焊接变形之间的关联关系,揭示薄壁结构焊接变形的产生机理。(3)非均匀焊接应力下结构失稳临界条件理论模型基于卸载前焊接应力理论模型,定量研究了应力分布规律,考虑焊接应力非均匀分布特点,采用能量法建立大型薄壁结构焊接失稳临界条件理论模型,以切比雪夫多项式构建不同边界条件下结构失稳的挠度函数,求解薄壁结构直焊缝和环焊缝焊接失稳临界载荷。研究不同几何尺寸和工艺参数下薄壁结构焊接失稳临界条件的变化规律,为焊接工艺参数优化和超大薄壁结构焊接失稳变形控制提供指导。(4)火箭贮箱整体焊接变形预测与分析针对火箭贮箱的三种典型焊缝结构,建立其整体结构的焊接变形计算流程,基于提出的三维应力映射方法进行贮箱整体的焊接变形预测,并与现场制造过程实测数据进行对比,验证了新方法预测焊接变形的有效性。根据贮箱结构焊接变形机理和失稳临界条件的分析,优选结构焊接工艺参数,进行贮箱整体焊接变形预测与分析,为合理选取焊接工艺参数,减小贮箱超大薄壁结构焊接变形奠定了基础。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V46
【图文】：

贮箱,运载火箭

高[1,2]。燃料贮箱是运载火箭箭体结构的重要部件，如图的制造要求下，新一代运载火箭大型贮箱的制造难度显了更高的要求[3,4]。随着贮箱尺寸的不断增大，结构刚度过程中易出现尺寸超差问题，火箭贮箱作为空间封闭结形极易在终端集聚，影响整体结构的综合制造质量。因大型贮箱的制造技术研究具有重要意义。是贮箱制造过程中的主要连接技术，焊接过程导致的结造精度[5]。因此贮箱结构焊接变形的准确预测具有重要结构的焊接变形控制，降低产品的不合格率，提高生产刚度的下降加剧几何非线性对结构变形的影响，热力耦非均匀变化，也会增加超大薄壁结构焊接变形准确预测部温度及应力场演化过程难以准确描述，致使焊接变形大薄壁结构焊接变形预测存在明显的局限，制造过程式保证焊接结构的尺寸精度，导致贮箱制造质量稳定性

论文,几何精度,焊接工艺参数,贮箱

合理选取焊接工艺参数，提高贮箱整体焊后几何精度。主要内容的逻辑关系如图1-3 所示。图 1-3 论文组织框架Fig. 1-3 The framework of this dissertation

应力应变曲线,母材,焊缝,试样

对试样进行拉伸实验获得材料的应力应变曲线，实验设备为 Instron-5966 型拉伸实验机。首先将焊缝试样和母材试样拉伸至断裂，获得的加载过程中的应力应变曲线，如图2-6 所示。由图可知，母材在弹性阶段的应力应变曲线较为平滑，而焊缝试样在弹性阶段波动明显。不同位置处焊缝试样的应力应变曲线如图 2-7所示，不同厚度上的试样拉伸曲线存在明显的差别。为了获得准确的弹性模量测量值，采用多项式拟合材料弹性阶段的真应力应变曲线，将拟合函数外推至函数零点，求取该位置的斜率作为材料的弹性模量测量值[140]。加载至断裂的试样弹性模量结果列于表 2-1 中，焊缝区试样的弹性模量略高于母材，在逐渐远离上表层的过程中，试样 1 到试样 3 的弹性模量呈现下降趋势。

【参考文献】