基于USRP加工管线钢残余应力的模拟

发布时间：2017-10-03 11:13

  本文关键词：基于USRP加工管线钢残余应力的模拟

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【摘要】：超声表面滚压加工(Ultrasonic Surface Rolling Process,USRP)是一种基于剧烈塑性变形的新型表面强化加工工艺,主要在表层引入残余压应力场并产生加工硬化,从而提高试件的疲劳强度以及耐应力腐蚀能力。利用有限元分析软件ABAQUS对超声滚压加工过程进行数值模拟,在模型中改变下压量、静压力、摩擦系数、小球直径和加工遍数等工艺参数,得到残余应力和等效塑性应变沿试件厚度方向的分布曲线。对比下压量和静压力两种加载方式,根据等效应力变化曲线的差异,研究两种加载方式下超声滚压加工的差异。以X80钢为研究对象,使用有限元分析方法对X80钢焊接的残余应力进行研究。通过ABAQUS软件来模拟X80钢焊接温度场的分布,利用焊接热分析结果进行应力分析得到焊接残余应力的大小和分布。模拟研究使用双椭球热源模型双层焊时,第二层焊接对第一层焊接残余应力的影响,以及采用不同的热功率和焊接速度对焊接残余应力的大小和分布的影响。建立超声表面滚压加工的三维有限元模型,使用有限元软件ABAQUS模拟了焊缝的USRP过程。开发了模拟焊接的移动双椭球热源子程序,得到了经超声滚压加工前后残余应力变化规律。模拟过程中,分析加工次数对超声滚压残余应力场分布影响的规律。结果表明,经USRP处理,焊缝区产生压缩残余应力,随着加工遍数增加,残余压应力增大,URSP具有降低焊接残余应力的效果。为了验证基于ABAQUS对X80管线钢焊接模拟以及焊接接头超声滚压加工处理后残余应力模拟的准确性,采用切块法实验测量焊后残余应力分布来验证模拟的准确性。模拟同实验验证总体吻合较好,表明有限元模型是正确的。
【关键词】：X80管线钢 超声滚压 残余应力
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG306
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景10
• 1.2 管线钢的发展历史10-11
• 1.3 焊接残余应力产生原因及焊接数值模拟11-13
• 1.3.1 管线钢焊接残余应力11-12
• 1.3.2 焊接的数值模拟12-13
• 1.4 焊接接头焊后处理的研究现状13-16
• 1.5 课题研究内容16-17
• 第二章 USRP原理与理论17-22
• 2.1 超声表面滚压加工设备及原理17
• 2.2 USRP微观机制17-19
• 2.3 数值模拟材料模型19-20
• 2.4 USRP模拟控制方程20
• 2.5 USRP接触理论模型20-22
• 第三章 USRP加工有限元模拟22-41
• 3.1 基于ABAQUS的有限元分析模型的建立22-28
• 3.2 不同工艺参数对残余应力分布影响28-35
• 3.2.1 下压量对残余应力分布的影响28-31
• 3.2.2 静压力对残余应力分布的影响31-32
• 3.2.3 小球直径对残余应力的影响32-33
• 3.2.4 摩擦系数对残余应力的影响33-34
• 3.2.5 加工遍数对残余应力的影响34-35
• 3.3 不同工艺参数对等效塑性应变的影响35-40
• 3.3.1 不同下压量下等效塑性应变的分布36-38
• 3.3.2 不同尺寸小球下的等效塑性应变分布38
• 3.3.3 不同加工遍数下的等效塑性应变分布38-39
• 3.3.4 不同摩擦系数下的等效塑性应变的分布39-40
• 3.4 小结40-41
• 第四章 X80管线钢焊接残余应力模拟研究41-58
• 4.1 研究材料及研究方案41-43
• 4.1.1 研究材料41-42
• 4.1.2 模拟方案42
• 4.1.3 基本模拟步骤42-43
• 4.2 试验物理模型43-47
• 4.2.1 热源模型43-45
• 4.2.2 焊接热源模型函数的加载45-46
• 4.2.3 有限元模型46-47
• 4.3 结果分析与讨论47-56
• 4.3.1 焊接工艺参数对焊接残余应力的影响47-51
• 4.3.2 第二层焊接对第一层焊接残余应力的影响51-52
• 4.3.3 横向应力模拟结果52-54
• 4.3.4 纵向应力模拟结果54-56
• 4.4 小结56-58
• 第五章 超声滚压加工对X80管线钢焊接残余应力的模拟58-72
• 5.1 有限元模型58-59
• 5.1.1 温度场模拟58
• 5.1.2 几何模型及网格划分58-59
• 5.2 USRP模拟结果与分析59-67
• 5.2.1 USRP焊缝表层残余应力分析59-63
• 5.2.2 USRP焊缝沿厚度方向残余应力分析63-65
• 5.2.3 不同下压量对焊接接头性能研究65-67
• 5.3 X80管线钢焊接残余应力实验研究67-70
• 5.3.1 三维焊接残余应力测量67-68
• 5.3.2 实验数据测量68
• 5.3.3 测量结果68-69
• 5.3.4 实验结果与模拟结果的对比分析69-70
• 5.4 小结70-72
• 第六章 结论72-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果78-79
• 致谢79

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