厚板对接焊残余应力分布研究

摘要

大型钢结构和管道工程项目中的厚板连接往往采用焊接方式，由于焊接过程中高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将会产生相当大的残余应力和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能，同时由于厚板焊接残余应力场的影响因素众多，变化复杂，因此，对厚板焊接残余应力的研究具有很重要的现实意义。
　　 本文研究对象为两块厚度为100mm的厚板，材质为A105阀门用钢，采用埋弧自动焊进行多层多道焊接。焊接坡口为窄间隙U型坡口，焊接形式为对接焊。
　　 本文首先使用X-350AL型X射线应力测量仪，平面双向非等间距布置测点，对厚板焊接后的表面残余应力场进行了测量。然后分析实验数据，给出残余应力分布曲线，根据应力分布状体总结出残余应力的分布规律。接着使用通用有限元计算软件MSC.Mrac2007中新增的WELD PATH功能来定义焊接路径，对焊接过程进行建模计算。焊接残余应力计算结果和测量结果表明，两者基本吻合，证明了该模拟方法的有效性。在验证了表面残余应力后，厚度方向的残余应力值可以从计算结果中得出，解决了厚度方向应力难得出的问题。最后，对于表面残余应力沿焊缝方向、焊缝垂直方向以及厚度方向应力σz的分布规律，采用了基于Levenberg-Marquardt法和通用全局优化算法拟合分布曲线，给出拟合方程。并进一步分析了表面焊缝区域的二维分布曲面，提出残余应力的二维分布模型。
　　 本文中建立的有限元模型和提出的残余应力分布公式可为实际焊接工作提供指导依据，为以后的焊接残余应力分布研究提供参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1选题研究背景

1.2焊接残余应力概述

1.2.1焊接残余应力产生的原理

1.2.2焊接残余应力场

1.2.3焊接残余应力的分类

1.3焊接残余应力研究现状

1.3.1国外对焊接残余应力的研究

1.3.2国内对焊接残余应力的研究

1.3.3焊接应力数值模拟的难点

1.4焊接残余应力分布拟合的研究现状

1.5本文的主要工作和研究意义

第2章焊接残余应力的测试

2.1实验材料

2.2焊接工艺

2.3残余应力测量

2.3.1 X射线应力测定原理

2.3.2仪器介绍和相关说明

2.3.3测点布置

2.3.4测量过程

2.4 X射线法测量结果

2.4.1横向应力测量结果

2.4.2纵向应力测量结果

2.5本章小结

第3章残余应力数值模拟

3.1 MSC.Marc介绍

3.1.1 MSC.Marc的功能特点

3.1.2 MSC.Marc主菜单

3.1.3 MSC.Marc单元类型

3.1.4 MSC.Marc热传导和热应力分析

3.2焊接模型的建立

3.2.1材料热物理性能参数的确定

3.2.2计算热源模型的选取

3.2.3几何模型建立和网格划分

3.2.4边界条件和载荷施加

3.3温度场计算结果

3.4应力场计算结果

3.5应力场对比分析与讨论

3.5.1横向残余应力对比分析

3.5.2纵向残余应力对比分析

3.6厚度方向残余应力σz的给出

3.7本章小结

第4章 残余应力分布拟合

4.1 1stOpt软件概述

4.1.1 1stOpt软件介绍

4.1.2 1stOpt功能特点

4.2表面残余应力分布曲线的拟合

4.2.1分布模型的提出

4.2.2横向应力σx的拟合结果与分析

4.2.3纵向应力σy的拟合结果与分析

4.3表面残余应力分布曲面的拟合

4.3.1分布模型的提出

4.3.2横向应力σx的拟合结果与分析

4.3.3纵向应力σy的拟合结果与分析

4.4厚度方向残余应力σz的拟合

4.4.1分布模型的提出

4.4.2σz的拟合结果与分析

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1全文结论

5.2全文展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文