管板多道焊焊接接头数值模拟及实验分析

摘要

板管焊接接头是大型焊接结构海洋平台上的一种常见连接形式,也是其最薄弱的位置。很多海洋平台的事故都是由于焊接接头疲劳破坏或者脆性开裂引起的。含有残余应力的焊接接头在海浪、台风、海流的冲击下,很容易发生疲劳破坏,并且焊接残余应力和变形的存在增加了海洋平台的设计难度。因此,对管板焊接接头残余应力预测以及疲劳寿命分析具有工程实际意义。
　　本文首先对焊接残余应力测量方法,焊接过程中的温度场和应力场的理论以及现阶段研究的现状进行了叙述。然后根据管板焊接工艺对管板模型进行焊接且利用盲孔法对该焊接模型进行残余应力测量。接着利用ANSYS软件平台对管板焊接接头进行多道交替焊接的温度场和应力场的数值模拟,得出了焊接过程温度场的变化过程以及焊后残余应力场的分布情况。并对实验结果和仿真结果进行对比,得出本文所使用的数值模拟方法的正确性。
　　在保证数值模拟正确性的前提下,本着提高数值模拟效率为目的,探讨数值模拟过程中的模型简化,并对比分析了不同简化模型的残余应力。首先探讨本对称模型能否简化为1/4模型进行计算,对残余应力的模拟结果进行四条对称路径上的对比,得出了四套路径上的残余应力基本相近,对于本文加工工艺的焊接模型可近似利用模型的对称性简化模型的计算。接着利用相同的仿真方法,进行了不加点焊模型和整道焊缝一起激活模型的焊接温度场和应力场数值模拟,得出了点焊对于本文中所述的刚性比较大的模型影响比较小,整体激活模拟方式相当于增大了刚度,得到的模拟值比较小,不适合高精度的数值模拟。同时,横向比较得出,随着焊缝附近刚度的增大,焊接残余应力值减小。
　　最后,采用疲劳分析软件ANSYS/FE-SAFE,在焊接接头残余应力的基础上,对该模型进行随机海浪载荷PM谱的疲劳寿命和指定循环次数下的安全系数的模拟。接着用给定位移载荷的方式模拟超声冲击消除部分残余应力,并且探讨了消除部分残余应力后,构件在相同载荷作用下的疲劳寿命。

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第1章 绪论

1.1 本文背景和研究意义

1.2 残余应力测试方法的研究现状

1.3 焊接数值模拟国内外现状

1.4 疲劳数值模拟研究现状

1.5 本文研究的主要内容

第2章 残余应力测试实验方法及焊接分析理论

2.1 焊接残余应力概念、形成过程

2.2 焊接残余应力的测量方法

2.3 焊接温度场和应力场理论

2.4 焊接过程有限元分析方法

2.5 本章小结

第3章 焊接实验过程及残余应力测量

3.1 海洋平台接头模型材料选择

3.2 焊接模型尺寸的确定

3.3 焊接工艺确定

3.4 焊接接头的实际加工过程

3.5 焊接残余应力测试实验

3.6 焊接残余应力结果分析

3.7 本章小结

第4章 焊接温度场及应力场数值模拟

4.1 温度场数值模拟

4.2 焊接应力场数值模拟

4.3 焊接模拟结果与实验结果对比

4.4 本章小结

第5章 焊接仿真方式优化

5.1 对称路径应力对比

5.2 点焊的影响

5.3 整体激活的影响

5.4 本章小结

第6章 焊接疲劳分析

6.1 焊接构件疲劳分析基本理论

6.2 ANSYS FE-SAFE简介

6.3 随机海浪理论与计算方法

6.4 实验模型的疲劳分析

6.5 超声冲击法消除残余应力后的疲劳性能分析

6.6本章小结

结论

一、结论

二、论文不足之处及研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢