DH36钢焊接结构的振动时效判据及热振时效研究

发布时间：2019-12-05 15:19

【摘要】：振动时效是一种具有绿色环保、设备便携、快捷高效等优点的焊接残余应力消除方法,具有广泛的应用前景。在振动时效处理后,伴随着残余应力的降低,构件的振动特性往往发生一定的变化。在国家标准和工程上通常以这一点为基础定性地判断振动时效是否产生效力。但是目前关于应力与振动特性之间的关系的研究较少,因而基于这一关系进行的判断经验性较强,缺乏定量化的研究,存在很大的局限。本课题结合海洋结构工程DH36低合金钢焊接部件的振动时效研究,采用理论分析、试验研究与数值模拟技术相结合的方法,研究了振动时效条件下焊接峰值残余应力降低幅度与构件振动特性变化之间的关系,以期由此得出一个较为快捷和准确地估计振动时效工艺有效性的方法,并针对不同的焊接结构开展了相应的应用研究。对薄板矩形DH36低合金钢焊接结构件使用振动时效可以显著地消除其残余应力。有无振动时效处理两种情况下的焊接试样整体力学性能没有显著改变,硬度和金相组织结构也没有显著差别,由此排除了DH36低合金钢焊接构件振动时效前后造成振动特性变化的材料因素。借助有限元方法分析了简支梁的振型和幅频特性曲线的影响因素,主要包括激振点位置、支撑点位置,阻尼和应力。在激振点和支撑位置给定的情况下,结构的振幅同时受到阻尼和应力的影响,固有频率只受到应力的影响,而与阻尼无关。因此提出采用固有频率的变化作为评价振动时效效果的依据。建立了与双向应力相关的固有频率函数,其中包含有横向应力和纵向应力对系统共振频率的共同作用项。所得到的求解结果与有限元分析结果之间具有较好的一致性。建立了振动时效的“效力指数η”,通过这一指数建立了固有频率的变化与残余应力峰值的变化之间的定量关系模型。η的值指示了焊接构件在振动时效处理后的峰值应力下降程度。采用有限元分析的方法计算了含有双向拉应力的对称和非对称二维结构的固有频率,幅频特性曲线和振型。提出了相应的“固有频率曲面”和固有频率函数,这一函数包含了两个方向上应力的共同作用,对不经过拟合数据点的位置上的应力状态预测也较为准确,在高应力状态下的准确性更好,具有较强的适用性。定义使构件具有相同固有频率的不同应力状态的集合为“固有频率曲线”。振动时效前后,构件的应力状态落在不同的固有频率曲线上。振动时效后固有频率降低即表明了振动时效引起了至少一个方向残余应力的降低。当固有频率的变化较小时,两个方向的应力可能全部降低,也可能一个方向降低一个方向升高。当固有频率变化较大时,两个方向的应力都降低。定义振动时效后,能够保证两个方向的应力均不升高的最小固有频率为“临界固有频率”。固有频率的变化能够定性地指示两个方向的残余应力是否发生降低,效力指数能够定量化地指示残余应力降低的程度。对矩形DH36焊接构件进行振动时效实验,结果与理论预测吻合较好。针对DH36材料的大尺寸海洋平台用焊管进行了振动时效和热时效的对比,振动时效的效力指数为56.3%,实际测量的残余应力降幅约为50%,两者符合较好。表明效力指数在实际工程中具有较强的应用价值,而且这一指数不仅可应用于平板结构,在其他形式结构的应用中也具有很好的指示效果。在残余应力降幅相似的情况下,振动时效的时间和能源成本仅为热时效的十分之一甚至更低。通过分析试件的加热对构件固有频率和振幅的影响,以及对材料屈服强度的影响,提出了热振复合时效处理的方法。并在常规振动时效难以处理的大刚度DH36厚板焊接构件进行了实验验证。将焊缝附近区域加热到150?C的条件下进行振动时效。热振复合振动时效后满足对DH36钢焊接构件残余应力降低幅度的要求。热振复合振动时效方法扩展了振动时效的适用范围。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG404

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