T型接头焊接残余应力分析和释放研究
发布时间：2021-10-07 04:37
旋挖钻机在基础建设工程中应用广泛,钻进系统中传递扭矩的钻杆承受交变载荷和轴向钻进载荷。焊接残余应力对钻杆的使用性能和可靠性产生不利影响,损坏部位多位于钻杆和键条的焊接接头处。精准的预测及控制焊接残余应力,具有重要的工程意义。钻杆在实际工作过程中载荷变化较为复杂,本文将钻杆和键条的焊接简化为T型接头焊接,研究坡口和循环载荷对焊接残余应力的影响。本文针对于T型接头焊接利用有限元分析预测焊接残余应力的分布,与试验对比验证有限元分析的正确性。运用热-弹塑性有限元分析方法模拟焊接过程,利用单元生死子程序模拟焊缝材料的填充作用。鉴于钻杆和键条的焊接接头不同于标准T型焊接接头,本文探究焊接坡口形式对焊接温度场、残余应力和变形的影响。计算结果表明,焊接坡口的形状显著影响最终的残余应力场,而对变形的影响较小。基于预测而得的焊接残余应力场,研究外加循环载荷的大小、应力比及方向对残余应力释放的影响。结果表明,残余应力的释放量依赖于循环载荷的应力幅值,残余应力的释放量随应力幅值的上升而增加。纵向循环载荷只改变焊接残余应力的大小,而不会改变其分布特征。残余应力的释放主要发生在循环载荷作用的第一次应力循环过程中,...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
随温度变化的导热系数及比热低碳钢中相变的最大影响为发生在750℃时奥氏体的分解，此时，依赖于温度变化的比热如图3-1所示
第3章材料模型和热源模型-13-不同区域的材料划分为塑性和弹性区域，考虑到焊接热源附近的高温度梯度，其依赖于温度变化的非线性行为使得计算量大幅增加。因而，屈服强度的建模中使用一个斜度较小的函数可以减小计算量。根据胡克定律，在应力应变曲线的弹性范围（进入屈服阶段之前）内，应变与应力成比例。常温条件下的单轴试验中，此常数比即为杨氏模量，同时可以表面材料的弹性。对于400℃以上的低碳钢，随着杨氏模量的减小，刚度随之减校图3-2中杨氏模量随温度变化，同时考虑400℃之后的刚度下降，尽管刚度的下降早于此温度。一般400℃之下的刚度保持在200GPa左右，750℃时随着奥氏体的转变，杨氏模量下降为150GPa，而后开始迅速的降低。文献[43]中，奥氏体转变导致的杨氏模量下降发生在650℃，文献[13]174中表明低碳钢在300℃时有一个急速的下降。大多数钢材料室温下的泊松比位于0.28至0.33之间。当前材料模型的泊松比假设为温度上升至熔点时，泊松比为0.43。图3-2随温度变化的屈服强度及杨氏模量由于拉力造成在此方向上的钢材料的延长，而垂直于拉力方向的延长将会减弱。这一相对体积形状上的改变可以通过泊松比和杨氏模量组成的体积模量进行表示，大多数钢材料室温下的泊松比位于0.28至0.33之间。当前材料模型的泊松比假设为
燕山大学工学硕士学位论文-14-温度上升至熔点时，泊松比为0.43。类似于杨氏模量，使得泊松比接近于0.43并无明确的物理背景，然而毫无疑问的是，弹性模量和剪切模量必然随着温度的上升而减校泊松比、弹性模量及剪切模量的组合，体积模量可以增加进而引起物理上不现实的各向同性应力。图3-3展示了依赖于温度变化的泊松比曲线。与文献[13]175中泊松比变化相比较，此曲线进行了平滑化处理，前者中随着奥氏体转变附件的杨氏模量迅速下降，泊松比迅速增加至0.4以上。图3-3随温度变化的泊松比不断增高的温度下，不受任何约束的物体在将会持续膨胀，同时密度随着减小；反之，温度下降时，物体收缩。这一行为被称为热膨胀，应变和温度之间的比例因子为热膨胀系数。一定程度上热膨胀系数和单位体积的比热决定了力学分析中的热载荷。例如，相比于普通的碳钢，不锈钢具有较高的热膨胀系数，尽管外部约束的存在，仍可能造成较大的扭曲变形。至于异种材料的焊接，热膨胀系数的差异导致最终不同的扭曲变形及残余应力。焊接结构的残余应力分布很大程度上类似于相似的金属焊接，如果进行焊后热处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]异种钢焊接接头的焊接残余应力及其松弛行为[J]. 王成刚,何凡. 焊接技术. 2016(04)
[2]交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为[J]. 李陵,罗白璐,郑绍文. 中国舰船研究. 2014(03)
[3]旋挖钻机钻杆键条焊接接头的残余应力[J]. 赵海燕,徐兴全,于兴哲,朱小武. 清华大学学报(自然科学版). 2014(02)
[4]旋挖钻机变幅机构的动力学建模与仿真[J]. 康辉梅,何清华,朱建新. 中南大学学报(自然科学版). 2010(02)
[5]旋挖钻机入岩能力简述[J]. 刘文忠,管佩先,孙宽良. 建设机械技术与管理. 2010(04)
[6]局部加载拉应力对平板焊接残余应力场的影响[J]. 潘华,方洪渊. 焊接学报. 2008(08)
[7]关于焊接残余应力与应变问题的分析与探讨[J]. 杨建国,张学秋,刘雪松,方洪渊. 焊接. 2008(04)
[8]焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的讨论[J]. 汪建华,陆皓. 焊接学报. 2002(03)
本文编号：3421374
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
随温度变化的导热系数及比热低碳钢中相变的最大影响为发生在750℃时奥氏体的分解，此时，依赖于温度变化的比热如图3-1所示
第3章材料模型和热源模型-13-不同区域的材料划分为塑性和弹性区域，考虑到焊接热源附近的高温度梯度，其依赖于温度变化的非线性行为使得计算量大幅增加。因而，屈服强度的建模中使用一个斜度较小的函数可以减小计算量。根据胡克定律，在应力应变曲线的弹性范围（进入屈服阶段之前）内，应变与应力成比例。常温条件下的单轴试验中，此常数比即为杨氏模量，同时可以表面材料的弹性。对于400℃以上的低碳钢，随着杨氏模量的减小，刚度随之减校图3-2中杨氏模量随温度变化，同时考虑400℃之后的刚度下降，尽管刚度的下降早于此温度。一般400℃之下的刚度保持在200GPa左右，750℃时随着奥氏体的转变，杨氏模量下降为150GPa，而后开始迅速的降低。文献[43]中，奥氏体转变导致的杨氏模量下降发生在650℃，文献[13]174中表明低碳钢在300℃时有一个急速的下降。大多数钢材料室温下的泊松比位于0.28至0.33之间。当前材料模型的泊松比假设为温度上升至熔点时，泊松比为0.43。图3-2随温度变化的屈服强度及杨氏模量由于拉力造成在此方向上的钢材料的延长，而垂直于拉力方向的延长将会减弱。这一相对体积形状上的改变可以通过泊松比和杨氏模量组成的体积模量进行表示，大多数钢材料室温下的泊松比位于0.28至0.33之间。当前材料模型的泊松比假设为
燕山大学工学硕士学位论文-14-温度上升至熔点时，泊松比为0.43。类似于杨氏模量，使得泊松比接近于0.43并无明确的物理背景，然而毫无疑问的是，弹性模量和剪切模量必然随着温度的上升而减校泊松比、弹性模量及剪切模量的组合，体积模量可以增加进而引起物理上不现实的各向同性应力。图3-3展示了依赖于温度变化的泊松比曲线。与文献[13]175中泊松比变化相比较，此曲线进行了平滑化处理，前者中随着奥氏体转变附件的杨氏模量迅速下降，泊松比迅速增加至0.4以上。图3-3随温度变化的泊松比不断增高的温度下，不受任何约束的物体在将会持续膨胀，同时密度随着减小；反之，温度下降时，物体收缩。这一行为被称为热膨胀，应变和温度之间的比例因子为热膨胀系数。一定程度上热膨胀系数和单位体积的比热决定了力学分析中的热载荷。例如，相比于普通的碳钢，不锈钢具有较高的热膨胀系数，尽管外部约束的存在，仍可能造成较大的扭曲变形。至于异种材料的焊接，热膨胀系数的差异导致最终不同的扭曲变形及残余应力。焊接结构的残余应力分布很大程度上类似于相似的金属焊接，如果进行焊后热处理
【参考文献】：
期刊论文
[1]异种钢焊接接头的焊接残余应力及其松弛行为[J]. 王成刚,何凡. 焊接技术. 2016(04)
[2]交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为[J]. 李陵,罗白璐,郑绍文. 中国舰船研究. 2014(03)
[3]旋挖钻机钻杆键条焊接接头的残余应力[J]. 赵海燕,徐兴全,于兴哲,朱小武. 清华大学学报(自然科学版). 2014(02)
[4]旋挖钻机变幅机构的动力学建模与仿真[J]. 康辉梅,何清华,朱建新. 中南大学学报(自然科学版). 2010(02)
[5]旋挖钻机入岩能力简述[J]. 刘文忠,管佩先,孙宽良. 建设机械技术与管理. 2010(04)
[6]局部加载拉应力对平板焊接残余应力场的影响[J]. 潘华,方洪渊. 焊接学报. 2008(08)
[7]关于焊接残余应力与应变问题的分析与探讨[J]. 杨建国,张学秋,刘雪松,方洪渊. 焊接. 2008(04)
[8]焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的讨论[J]. 汪建华,陆皓. 焊接学报. 2002(03)
本文编号：3421374
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3421374.html
