低匹配焊接接头弯曲等承载设计及随焊整形

发布时间：2017-08-25 13:30

  本文关键词：低匹配焊接接头弯曲等承载设计及随焊整形

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【摘要】：低匹配接头承载能力较母材或等匹配接头有所降低,限制了其广泛应用。基于强度参量以及断裂强度因子参量对低匹配拉伸等承载接头设计已有相关的研究,但是对于低匹配接头弯曲等承载设计方面的研究还未见报道。因此,为提高低匹配接头的弯曲承载能力,使其弯曲承载能力能够达到母材,本文在假定无焊接缺陷、忽略冶金作用和残余应力的前提下,通过理论研究、有限元分析与试验验证相结合的方法,分别针对弹性状态与塑性状态,提出了弯曲等承载的判据及实现条件,并提出了弯曲等承载接头设计准则,按照该设计准则可以设计出弯曲承载能力与母材相当的低匹配焊接接头。基于材料力学理论,研究了弹性状态焊缝金属与母材存在不同力学性能情况下满足弯曲等承载能力的临界条件,推导出弹性状态低匹配对接接头满足弯曲等承载条件的几何形状临界曲线,在给定的相同弯曲载荷的条件下,以低匹配接头不先于母材发生屈服为约束条件,并通过接头余高高度、熔宽宽度以及焊趾半径等几何形状细节设计,给出了弹性状态非均质变截面低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则。基于塑性弯曲理论,研究了塑性状态焊缝金属与母材存在不同力学性能情况下满足弯曲等承载能力的临界条件,推导出塑性状态低匹配对接接头满足弯曲等承载条件的几何形状临界曲线,在给定的相同弯曲载荷的条件下,以塑性状态低匹配接头不先于母材达到抗拉强度为约束条件,并通过接头几何形状细节设计,给出了塑性状态非均质变截面低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则。通过有限元法分别验证了弹性阶段与塑性阶段低匹配接头弯曲等承载设计准则的正确性。理论研究表明,塑性状态不能使用抗拉强度匹配比用于弯曲等承载设计,因此提出了表征塑性状态弯曲等承载设计的指标参量(当量应力)。当量应力是一个反映材料性能的指标,只与材料其他性能参数有关,表征了材料最大应力达到材料抗拉强度时极限塑性载荷与当量应力之间的关系。定义当量应力匹配比为焊缝当量应力与母材当量应力的比值,当量应力匹配比可用于塑性状态焊接接头弯曲等承载设计。理论推导弯曲等承载接头的临界曲线为抛物线形状,考虑工程应用的因素,进行了圆弧替代抛物线形状的可行性分析。基于弯曲等承载设计准则,分别给出了弹性阶段与塑性阶段适合工程应用的三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法。分别通过有限元法和试验方法验证了三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法的正确性,验证结果均表明设计的低匹配弯曲等承载对接接头弯曲承载能力能够达到母材且远高于余高削平的低匹配对接接头,满足弯曲等承载设计要求。针对现有获得等承载接头方法的不足,本文设计了三圆相切随焊整形轮,并实现了等承载接头的随焊整形,获得了所需要的接头几何形状。针对固定形状的整形轮只能对单一形状尺寸等承载接头进行随焊整形的局限性,设计了宽度可调节的平余高形状随焊整形轮,拓宽了随焊整形的使用范围。对等承载接头随焊整形效果进行了相关的力学性能实验,结果表明:随焊整形等承载接头基本达到母材的弯曲承载能力,满足弯曲等承载要求;焊缝区硬度较原始焊态接头有较大的提高,对作用区域有加工硬化的效果;随焊整形能够降低残余应力,甚至引入有益的压应力。弯曲等承载设计可以使低匹配接头的弯曲承载能力能够达到母材,可以按照母材的弯曲承载能力进行焊接结构设计。探讨了随焊整形的可行性,获得了弯曲等承载接头所需要的几何形状。
【关键词】：高强钢 低匹配接头 弯曲等承载 设计准则 设计方法 随焊整形
【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】：TG407
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-16
• 第1章 绪论16-34
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义16-17
• 1.2 高强钢及其焊接性17-20
• 1.2.1 高强钢性能与应用17
• 1.2.2 高强钢焊接性17-18
• 1.2.3 高强钢焊接接头组配研究现状18-20
• 1.3 高强钢焊接接头设计方法20-24
• 1.3.1 焊接结构设计方法20-21
• 1.3.2 焊缝几何形状参数优化设计21-24
• 1.3.3 工程构件形状优化设计24
• 1.4 焊接接头等承载设计研究现状24-29
• 1.4.1 低匹配焊接接头等承载设计24-26
• 1.4.2 焊缝含有裂纹的焊接接头等承载设计26-27
• 1.4.3 焊接接头弯曲性能研究现状27-29
• 1.5 焊缝整形方法及研究现状29-32
• 1.5.1 焊缝几何形状修整法30-31
• 1.5.2 焊缝残余应力整形法31-32
• 1.5.3 随焊整形方法32
• 1.6 本文的主要研究内容32-34
• 第2章 弯曲等承载设计思想与理论分析34-69
• 2.1 引言34
• 2.2 低匹配焊接接头弯曲等承载设计思想及实现条件34-38
• 2.2.1 弹性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计判据及实现条件35-37
• 2.2.2 塑性状态低匹配焊接接头弯曲等承载判据及实现条件37-38
• 2.3 弹性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计理论分析38-50
• 2.3.1 弹性状态低匹配弯曲等承载焊接接头最低余高高度理论推导38-40
• 2.3.2 弹性状态低匹配弯曲等承载焊接接头最小熔宽理论推导40-41
• 2.3.3 弹性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则41-47
• 2.3.4 弹性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计有限元验证47-50
• 2.4 塑性状态低匹配焊接接头弯曲等承载理论分析50-67
• 2.4.1 塑性状态低匹配弯曲等承载焊接接头最低余高高度理论推导50-62
• 2.4.2 塑性状态低匹配弯曲等承载焊接接头最小熔宽理论推导62
• 2.4.3 塑性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则62-64
• 2.4.4 塑性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计有限元验证64-67
• 2.5 本章小结67-69
• 第3章 弹性状态低匹配对接接头弯曲等承载设计69-83
• 3.1 引言69
• 3.2 弹性状态双侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计69-76
• 3.2.1 接头形状及可行性分析69-71
• 3.2.2 双侧余高三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法71-73
• 3.2.3 双侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头有限元验证73-74
• 3.2.4 双侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头试验验证74-76
• 3.3 弹性状态单侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计76-82
• 3.3.1 接头形状及可行性分析76-78
• 3.3.2 单侧余高三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法78-79
• 3.3.3 单侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头有限元验证79-81
• 3.3.4 单侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头试验验证81-82
• 3.4 本章小结82-83
• 第4章 塑性状态低匹配对接接头弯曲等承载设计83-100
• 4.1 引言83
• 4.2 塑性状态双侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计83-91
• 4.2.1 双侧余高低匹配对接接头三圆相切形状及可行性分析83-85
• 4.2.2 双侧余高三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法85-87
• 4.2.3 双侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头有限元验证87-88
• 4.2.4 双侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头试验验证88-91
• 4.3 塑性状态单侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计91-98
• 4.3.1 单侧余高三圆相切低匹配对接接头形状及可行性分析91-93
• 4.3.2 单侧余高三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法93-94
• 4.3.3 单侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头有限元验证94-95
• 4.3.4 单侧余高三圆相切低匹配弯曲等承载对接接头试验验证95-98
• 4.4 本章小结98-100
• 第5章 等承载接头随焊整形100-118
• 5.1 引言100
• 5.2 等承载接头随焊整形100-110
• 5.2.1 随焊整形可行性分析100-101
• 5.2.2 整形轮与热源之间位置的确定101-103
• 5.2.3 随焊整形轮设计103-105
• 5.2.4 可调整形轮设计105-109
• 5.2.5 随焊整形装置109-110
• 5.3 等承载接头随焊整形效果110-117
• 5.3.1 随焊整形接头形貌110-112
• 5.3.2 随焊整形接头的弯曲承载能力112-113
• 5.3.3 随焊整形接头的硬度113-114
• 5.3.4 随焊整形接头的残余应力114-117
• 5.4 本章小结117-118
• 结论118-120
• 参考文献120-130
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果130-133
• 致谢133-134
• 个人简历134

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 谭伟,张骅,韩文政,徐滨士,胡勇;提高装甲车辆T型焊接接头疲劳寿命的措施研究[J];兵工学报;2003年04期

2 张京海;方大鹏;;高强钢低匹配焊接接头应用性能研究[J];材料开发与应用;2012年03期

3 李少华;尹士科;刘奇凡;;焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述[J];焊接;2008年01期

4 刘萍;;机械加工表面的残余应力研究[J];煤矿机械;2013年11期

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本文编号：737023