振动时效消减焊接残余应力的数值仿真及试验研究

摘要

焊接残余应力是焊接结构产生变形和开裂的重要原因。一般情况下,残余应力的存在也会对焊接构件的机械加工精度和使用寿命产生不良影响。所以降低焊接残余应力成为机械制造工业技术中的一个重要研究领域。与传统消除应力方法相比,振动时效具有适用性强、操作简单、低能耗和生产周期短等优点,在机械制造领域已获得广泛应用。但是,目前振动时效的机理还在进一步探索中,在应用该技术对构件进行处理时,工艺参数的选择主要根据经验确定,存在一定的盲目性,使振动时效消减残余应力的效果未能达到理想的水平。
　　以低碳钢板焊接试件和船用结构钢板焊接试件为研究对象,利用有限元模拟焊接过程,获得焊接温度场和残余应力场的分布规律,确定了构件上消除残余应力的重点部位。进一步利用有限元技术模拟了船用结构钢板焊接构件的振动时效过程,分析支撑方式、激振位置、激振力的大小对试件固有频率、振型和对振动时效效果的影响,为振动时效工艺参数的选择提供了科学依据和指导。
　　利用振动时效装置对船用结构钢板焊接试件进行了振动时效试验研究。利用试验模态分析技术测定试件在不同支撑方式、激振位置和激振力情况下的固有频率和振动响应,选择试件振动响应强、振动平稳时的工艺参数进行振动时效处理。测量试件振动时效前后的残余应力,对比残余应力降低程度来评价振动时效的效果。研究发现试件在四点支撑、激振位置为长度方向中心一侧、激振力为2kN时,振动平稳且振动响应强,残余应力降低显著。试验结果证实利用有限元分析技术可以为振动时效工艺提供合理的参数选择方案和理论依据。
　　采用在振动平台上对低碳钢板焊接试件进行振动时效处理,研究了激振时间对振动时效效果的影响。试验结果:激振时间为5分钟、10分钟与30分钟后试件的残余应力下降分别为16％、36.6%和40%。分析发现振动时效过程中加速度-时间曲线变平5分钟以后再继续振动残余应力降低效果无明显提高。由此推测,加速度-时间曲线是激振时间选择时优先考虑的参量。
　　考虑到焊接高温区与高残余应力区域相吻合的特点,创新性地提出了利用焊接余热进行振动时效的研究方案。对船用结构钢试件进行振动焊接、存在焊接余热时振动时效和室温振动时效处理,对比焊接残余应力降低的程度。研究热与振动共同作用下试件焊接残余应力的变化。结果表明,利用焊接余热进行振动时效处理可以更有效的降低残余应力,这一研究成果具有重要的理论意义和工程价值。

目录

振动时效消减焊接残余应力的数值仿真及试验研究

SIMULATION AND EXPERIMENTAL RESEARCHON WELDING RESIDUAL STRESS RELIEVINGBY VIBRATORY STRESS RELIEF

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 焊接残余应力对结构的影响

1.3 振动时效技术的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第3章 振动时效工艺分析

3.1 振动时效工艺参数

3.2 振动时效效果的评价

3.3 本章小结

第4章 焊接残余应力与振动时效的数值仿真

4.1 焊接残余应力的数值仿真

4.2 振动时效的数值仿真

4.3 本章小结

第5章 焊接残余应力的测量与振动时效试验

5.1 残余应力的测量方法及试验步骤

5.2 振动时效试验研究

5.3 焊接热与振动共同作用对试件残余应力的影响研究

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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