焊接结构完整性评定与疲劳寿命预测系统

摘要

工程结构的安全性能预测包含对含缺陷结构的完整性评定以及剩余疲劳寿命的预测,是一项多学科交叉的综合技术,它涉及到断裂力学、连续介质力学、损伤力学以及材料力学等多个领域。焊接加工作为最广泛采用的制造方法,具有多种优越性,但由于焊接热过程的局部、快速等特点,造成焊接结构三个方面的明显不足:焊接缺陷、组织性能恶化及高残余应力场,这直接导致结构服役性能的大幅度降低,并使其可靠性评估极为复杂。
　　针对上述情况,本文通过研究焊接结构完整性评定以及剩余寿命预测过程涉及的基础理论,结合虚拟现实技术开发了一套可视化的焊接结构可靠性预测系统。本系统可实现对焊接缺陷的规则化、焊接结构的一次应力、二次应力的计算,还可实现基于不同的评定标准含缺陷焊接结构的完整性评定以及基于S-N曲线的疲劳寿命预测等。本系统首次将有限元分析与解析评定过程相结合,真正意义上实现了虚拟现实技术在焊接技术上的全面应用。本系统中完整性评定程序涵盖了GB19264、CEGB R/H/R6、BS7910、SINTAP/FITNET以及 IIW doc. XIII-1965-03/XV-1127-03,可应用于压力容器、轨道交通等行业的多种复杂焊接结构中。
　　系统主要包含基本参数数据采集模块、焊接接头质量评估模块、焊接结构的应力分析模块、焊接结构的完整性评定模块,焊接结构剩余寿命计算模块,结果输出模块,本文详细阐明了主要模块的构建方案与功能。系统具有基本参数的约束条件判断、自动化有限元分析、有限元结果智能筛选、评估过程与结果的实时性分析与回馈、系统与有限元软件之间无缝集成等特点。
　　基于 MSC接口平台,采用python脚本语言构建的基于焊接特征的FEA模块在可视化界面中实现了与MSC环境下等同性,操作便捷。本文将此模块应用于高速列车地板大型复杂铝合金挤压中空型材结构的拼焊过程的变性分析。同时为提高计算精度,试验测试了随温度变化的材料动态力学性能参数及热物理参数,并采用移动双椭球体热源模型模拟 MIG焊接热源。对多个高速列车地板结构的焊后挠曲变形进行了现场测试,结果证明,模拟计算结果与测试数据具有很高的吻合度。
　　针对现行工艺进行了焊接顺序优化尝试,提出由外侧向中心对称焊接地板结构上的6条纵焊缝的方案,数值模拟结果证明,焊后挠曲变形规律与现行工艺一致,但是变形量仅为现行工艺条件下的78.6％,对于类似地板结构的大型复杂薄壁构件,可以利用结构自身重力造成的三点弯曲作用,制定合理的工艺措施来控制焊接角变形,矫正其平面度偏差。
　　利用构建的系统完成了对CRH2型高速列车框架式底架结构的完整性评定,评定规范采用SINTAP/FITNET。借助基于热-力耦合分析的FEA模块,模拟计算了底架结构补强板、地板与底架连接主要焊缝的焊接过程,并对焊后底架结构的残余应力场进行分析。底架结构的焊后 Von Mises等效应力最高为143MPa,接近焊丝 ER5356的屈服强度,残余应力分布区域较窄。模拟计算获得了底架结构动应力的总体分布规律,采用基于 set特征的算法,获取了结构的承载危险点,确定了底架结构上危险部位的一次应力与二次应力水平。在采用虚拟裂纹的方案,分别开展了对半椭圆表面裂纹与角裂纹的完整性评定,评定过程中分别考虑一次应力与二次应力的作用,以及一次应力与二次应力之间的相互作用。评定结果表明,对于在牵引梁上各个危险部位存在a/2c=0.5,a=3mm的裂纹均处于安全状态,不存在脆断的危险。当补强板与牵引梁上出现 a=6mm,2c=12mm的半椭圆表面裂纹时,结构不安全,需要采取相关措施去除裂纹。
　　通过对断裂韧度的机理研究,提出 A7N01P-T5铝合金断裂韧度KC(B)的厚度效应解析公式,此公式可以计算任意厚度材料的断裂韧度,具有普适性与高精度的优势,并为其它材料断裂韧度KC的厚度效应研究提供了参考。由该 KC(B)公式计算得出的KIC值为32.03 MPa·m1/2,与CTOD试验线性拟合曲线的KIC值32.02 MPa·m1/2高度吻合。
　　进一步将系统应用于对高速列车底架的主要部位疲劳寿命预测,采用低频疲劳试验测试了A7N01P-T5的母材,削平余高焊件与带余高焊接试件的Δσ-N曲线。分别采用母材和削平余高焊接件的Δσ-N曲线,考虑 f(R),f(t)及f(T)修正FAT值后,实现了对承载底架结构上9个危险部位疲劳寿命预测。

目录

摘 要

Abstract

绪 论

课题研究目的及意义

熔化焊过程数值模拟研究现状

焊接熔池行为数值模拟

焊接熔池凝固组织模拟

熔化焊应力与变形数值模拟

焊接结构完整性研究现状

完整性评定的规范

评定规范的应用现状

焊接结构疲劳寿命研究现状

本课题主要研究内容

研究路线及系统的构建

引言

结构完整性概念

完整性评定中的重要参数

断裂力学三角形

焊接结构完整性评定及疲劳寿命预测系统的实施路线

应力处理原则

缺陷的规则化处理

实施路线图

基于OOP的焊接结构完整性与疲劳寿命预测系统开发

系统的主要功能

基本参数数据采集模块

焊接接头质量评估模块

焊接结构的应力分析模块

焊接结构的完整性评定模块

焊接结构剩余寿命预测模块

结果输出模块

本章小结

基于焊接特征的FEA模块开发

引言

基于焊接特征的FEM模块构建

高速列车地板焊接有限元模拟

有限元模型建立

热-力耦合有限元法

材料特性参数

力学边界条件

结果与分析

模拟变形结果

测试变形结果

变形计算结果与测试结果比较

控制变形优化方案

本章小结

材料断裂韧度KC的厚度效应研究

引言

国内外关于断裂韧度测试的试验方法

国内外断裂韧度测试标准

关于断裂韧度与板厚关系的研究

A7N01P-T5铝合金断裂韧度KC的测试

试样制备与试验方法

断裂韧度KC试验结果及分析

裂纹尖端张开位移(CTOD)试验

试验方法

试验结果分析及公式拟合

本章小结

CRH2型列车底架焊接结构完整性评定

引言

底架结构的焊接应力场数值模拟

底架结构的网格划分

焊接路径的加载

材料参数

焊接温度场

底架结构焊接残余应力场

底架结构动载荷的应力场数值模拟

标准载荷的选取及加载

动载荷等效Von Mises应力分布

危险区域应力智能筛选

SINTAP/FITNET完整性评定

评定流程

裂纹模型的建立

应力的线性化

载荷比Lr的计算

断裂比Kr的计算

评定曲线的建立

本章小结

典型焊接结构疲劳寿命预测

引言

疲劳寿命预测模块

基于S-N曲线预测底架结构寿命

疲劳试样的制备

母材平滑试样疲劳试验结果

焊接件平滑试样疲劳试验结果

焊接件带余高试样疲劳试验结果

底架结构疲劳寿命预测

电机转轴的剩余寿命预测

本章小结

图6-1 焊接结构剩余寿命子模块功能

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历