超高强度钢EH47的焊接残余应力数值模拟及实验研究

发布时间：2017-08-15 09:29

  本文关键词：超高强度钢EH47的焊接残余应力数值模拟及实验研究

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【摘要】：超高强度钢EH47是日本历经7年研制出来的具有强度高、低温韧性好的钢材,目前主要应用于建造10000TEU集装箱的舱口围。高强度厚板焊接加工会使接头局部发生热塑性变形和相变,从而产生焊接残余应力,导致在集装箱船中维持总纵强度和扭转力的舱口围过早发生变形、开裂和脆性断裂等问题。因此,开展对EH47钢焊接残余应力的研究,对于提高集装箱船舱口围受力结构的可靠性具有十分重要的意义。本课题研究的主要内容包括:(1)对于在计算过程中材料性能随温度变化而变化出现的材料非线性问题,进行了基于Jmatpro软件的EH47钢的高温物理性能研究。(2)利用ANSYS软件建立了EH47钢多层多道焊的温度场和应力场有限元模型。(3)进行焊接实验,将EH47试板开X型坡口,采用双面埋弧自动焊的焊接方法,结合多层多道焊接技术,进行平板对接焊,得到焊接接头。(4)利用盲孔法对焊后的EH47试板进行残余应力的测量,并与模型数据对比,从而验证模型的准确性。(5)通过相同焊接方法下,不同的焊后热处理的应力数值对比,检验焊后热处理对降低焊接残余应力的效果。(6)进行EH47钢焊接接头力学性能检测试验,完成焊接工艺评定。实验结果表明:只进行焊前预热,无焊后热处理的EH47试板,其纵向残余应力整体上关于焊缝中心呈对称分布。边缘应力数值几乎为0,随着渐渐靠近焊缝中心,应力数值逐渐减小,当靠近焊缝热影响区附近时出现最大压应力,然后随着继续靠近焊缝中心,纵向残余应力数值开始迅速增加,压应力过渡为拉应力,当到达焊缝中心区域时,拉应力达到最大值约为214MPa;横向残余应力分布趋势和纵向残余应力相似,数值上明显减小。经过焊后热处理的EH47试板,应力分布趋势和前者相同,焊缝中心区域处拉应力最大值为176MPa,为前者的82%,其它位置的应力值均有所降低,表明焊后热处理对降低焊接残余应力有比较好的效果。将模型应力数值和实验应力数值进行对比,对比结果表明:模型应力数值分布和实验数值分布相似,且在焊缝区域附近处,实验所测得的最大三个拉应力值落点非常靠近模型曲线,而在远离焊缝区域所测点的应力数值和模型数值分布趋势相同,进而验证了焊接数值模型的准确性。
【关键词】：焊接残余应力 ANSYS数值模拟 超高强度钢EH47 多层多道焊 盲孔法
【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】：TG457.11
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 选题的理论意义和实用价值12-13
• 1.2 焊接残余应力的研究现状13
• 1.3 焊接数值模拟国内外研究现状13-18
• 1.3.1 焊接数值模拟概况13-15
• 1.3.2 焊接温度场的数值模拟15-16
• 1.3.3 焊接残余应力的数值模拟16-18
• 1.4 焊接残余应力检测方法的研究18-19
• 1.5 本文的研究内容19
• 1.6 本文的创新点19
• 1.7 本章小结19-20
• 第2章 EH47材料物理性能的研究20-26
• 2.1 EH47钢材的可焊接性分析20-21
• 2.2 EH47钢的高温物理性能计算21-24
• 2.3 本章小结24-26
• 第3章 EH47的多层多道焊接实验26-32
• 3.1 焊接实验方案26-28
• 3.2 EH47的焊接实验过程28-30
• 3.3 焊接数据记录30-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第4章 焊接残余应力检测32-44
• 4.1 应力试验设备与材料32
• 4.2 应力测试过程32-36
• 4.3 检测结果36-42
• 4.3.1 应力检测点位置36
• 4.3.2 应力结果数据36-38
• 4.3.3 1 号试板的实验结果分析38-39
• 4.3.4 2 号试板的实验结果分析39-40
• 4.3.5 1 号和2号试板结果对比分析40-42
• 4.4 本章小结42-44
• 第5章 EH47的焊接数值模拟44-70
• 5.1 引言44
• 5.2 前处理44-48
• 5.2.1 几何模型的焊道布置45-46
• 5.2.2 单元类型的选择46
• 5.2.3 网格的划分46-48
• 5.3 焊接过程温度场模型48-56
• 5.3.1 热源模型的选择48-49
• 5.3.2 模型1的温度场分布49-54
• 5.3.3 模型2的温度场分布54-56
• 5.4 焊接应力场模型56-61
• 5.4.1 焊接内应力的基本概念56
• 5.4.2 焊接应力场建模方法56-57
• 5.4.3 模型1的焊接应力场分布云图57-60
• 5.4.4 模型2的焊接应力场分布云图60-61
• 5.5 模型应力检测61-64
• 5.5.1 模型1应力数据的处理62-63
• 5.5.2 模型2应力数据的处理63-64
• 5.6 模型结果和实测结果比较分析64-69
• 5.6.1 1 号试板实验和模型数据对比分析64-66
• 5.6.2 2 号试板实验和模型数据对比分析66-69
• 5.7 本章小结69-70
• 第6章 EH47焊接接头性能检测70-76
• 6.1 EH47宏观金相照片的制作70
• 6.2 硬度检测试验70-72
• 6.3 夏比冲击试验72-73
• 6.4 拉伸和弯曲试验73-75
• 6.5 本章小结75-76
• 第7章 总结与展望76-78
• 7.1 本文研究工作和结论76
• 7.2 进一步研究工作的展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 附录84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 宋建民;王有祁;王冬生;姜宝华;贾云生;;焊接残余应力的测试及研究[J];兵器材料科学与工程;2007年02期

2 董俊慧,霍立兴,张玉凤;低碳钢管道焊接残余应力有限元分析[J];焊接;2000年12期

3 杨延功;平学成;;焊接残余应力的测试方法[J];化工设备与管道;2009年05期

4 蔡洪能，，唐慕尧;TIG焊接温度场的有限元分析[J];机械工程学报;1996年02期

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 胡技军;电站锅炉T91钢焊接温度场和应力场的数值模拟[D];合肥工业大学;2006年

本文编号：677432