交变载荷下厚板表面焊接残余应力的松弛研究

摘要

船舶是一个具有复杂外形和空间布置的全焊接结构，在整个生命周期内，船舶所处的工作环境是相当恶劣的，除了承受静载外，更大程度上还会遭受交变循环载荷的作用，在这样复杂的受力状态下，结构内部的应力状态也会不断变化。对于全焊接的船舶而言，结构内焊接残余应力的变化，将直接关系到其使用性能以及疲劳强度的好坏。因此，为确保其在服役年限内的安全性与可靠性，必须重视和了解复杂工况下，结构内焊接残余应力的演变过程。基于此背景，本文首先，以文献资料为主要呈现内容，科学的理解和归纳交变载荷作用下焊接残余应力松弛行为研究的意义及特点，提出了本课题的主要研究思路和研究方法。
　　 其次，详细介绍了焊接残余应力测定的方法及手段，同时，回顾了已有的关于交变载荷作用下焊接残余应力松弛的相关理论，对相关概念进行了界定。
　　 再次，以一个100mm厚的对接焊试件为试验对象，利用MTS疲劳试验机，对其施加循环压缩载荷，在试验过程中，对每一个标定的循环周期下，借助于X射线应力测试仪，对试件表面测点处的实时残余应力进行系统测定与记录。在所有循环周期结束后，依靠通用拟合软件1Stopt，运用麦夸特法(Levenberg-Marquardt)对试验记录数据进行后期处理，提出了大厚度焊接试件表面焊接残余应力场的松弛演变模型。研究表明，在循环载荷的作用下，焊接残余应力场的松弛行为，不仅与初始焊接残余应力值的大小有关，还与外加循环载荷的作用方向紧密相连。
　　 然后，本文首次将试验所提出的残余应力松弛演变模型拓展到材料的基本属性中，结合疲劳专业分析软件ANSYS FE-Safe，对3种典型的循环载荷工况(脉动压缩，脉动拉伸，交变循环)下，焊接试件的疲劳性能做了数值模拟，全面分析与归纳了焊接残余应力的松弛行为对结构疲劳性能所产生的实质性影响。此外，针对实际的工作载况，本文就如何正确的利用焊接残余应力的松弛效应提出了适用性的基本准则，倡导合理化应用焊接残余应力才是最终目的。研究表明，焊接残余应力的松弛行为对试件的疲劳强度的影响，会根据外加循环载荷类型的不同而发生变化。在对称交变载荷与脉动循环拉伸载荷作用下，其影响表现为提高试件的疲劳强度。但在脉动压缩循环载荷作用下，则表现为降低试件的疲劳强度。
　　 最后，从焊接试件的多元化趋势出发，对结构内焊接残余应力松弛的实验性研究做了展望。
　　 希望能够通过本课题的研究，利用本文所提出的残余应力松弛时变模型，结合疲劳数值分析的结论，对结构的实际使用性能做出有效的预测，为工程实践应用提供理论依据与指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1选题的工程背景

1.2厚板焊接残余应力研究现状

1.2.1厚板焊接残余应力的理论研究

1.2.2厚板焊接残余应力监测的研究

1.2.3厚板焊接残余应力的松弛演变研究

1.3本文主要的研究工作

第2章焊接残余应力的松弛机理及应力测量

2.1引言

2.2交变载荷下厚板焊接残余应力松弛演变机理

2.3残余应力的测量——X射线衍射法

2.3.1 X射线衍射法测量残余应力的发展

2.3.2衍射仪测量残余应力的实验方法

2.3.3 X射线衍射法测定中存在的问题

第3章交变载荷下厚板焊接残余应力松弛试验

3.1残余应力的试验测试及技术条件

3.1.1试验试件及仪器

3.1.2测试路线及方案

3.2测试结果及力学合理性分析

3.2.1试验数据

3.2.2数据拟合以及结果分析

第4章基于松弛效应的疲劳数值分析

4.1引言

4.1.1疲劳分析的基本概念及特点

4.1.2疲劳分析方法

4.2松弛效应下的疲劳数值模拟

4.2.1 ANSYS FE_SAFE概述

4.2.2松弛效应下模型的疲劳分析

4.3疲劳数值分析结果

4.3.1脉动载荷下焊接试件的疲劳数值分析

4.3.2对称交变载荷(R=-1)下焊接试件的疲劳数值分析

第5章 疲劳数值模拟结果的分析研究

5.1结论分析

5.2应用前景

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文