深海耐压球壳开孔区域残余应力的调整方法研究

摘要

人类发展的四大战略空间(陆/海/空/天)中，海洋是第二大空间，是当前最现实和最有发展前景的战略空间。深海资源的勘探和开发对促进我国经济发展，提升我国综合国力具有重大意义。深海载人潜水器是支撑探查和开发深海资源、开展深海科学研究、进行深海工程作业的重要技术手段和装备。潜水器核心区域是载人耐压球壳，目前国际常采用钛合金材料，瓜瓣拼焊成型技术制作。然而耐压球壳的焊接残余应力对耐压结构的强度和安全性有很大的负面影响。因此研究深海耐压球壳焊接残余应力及其调整方法，对于提高深海装备的质量和深海开发能力具有重要的现实价值和战略意义。
　　本文基于焊接有限元理论的同时结合焊接试验和外压试验，对深海耐压球壳开孔区域焊接残余应力及其调整展开研究。第一，根据实验室条件和项目能力，结合强度理论和稳定性理论设计试验模型；第二，基于焊接有限元分析理论对耐压球壳模型进行焊接模拟和外压试验的数值模拟，对比研究耐压球壳模型试验和数值模拟的残余应力及其调整情况，验证耐压球壳焊接过程和外压试验采用数值模拟的方法研究是可行的；最后，采用数值模拟的方法研究不同焊接方式——窄间隙焊接和电子束焊接在焊接残余应力方面的优劣及其在外压处理焊接残余应力方面的差异，进而评估两种不同焊接方式和调整方法对耐压球壳安全性的影响。
　　本文主要研究内容如下：
　　(1)焊接有限元理论及耐压球壳稳定性研究。研究焊接有限元仿真理论，设计耐压球壳焊接的简化模拟，同时研究焊接温度场、应力场的简化模型和理论依据。介绍校核试验模型稳定性的方法和理论，包括球壳稳定性理论公式，线性屈曲分析和非线性屈曲分析理论，为试验模型的设计奠定理论基础。
　　(2)耐压球壳试验模型开展设计和校核。依据中国船级社规范初步设计耐压球壳试验模型，然后通过有限元校核试验模型的强度，再利用 GL规范校核实验模型的临界失稳力，同时通过有限元分析法对试验模型进行线性屈曲校核和非线性屈曲校核，最终验证试验模型的强度和稳定性满足试验模型的设计要求。
　　(3)耐压球壳焊接残余应力及其调整的数值模拟和试验对比研究。首先数值模拟耐压球壳模型开孔区域环形焊缝的焊接温度场，然后模拟焊接应力场。在此基础上加载不同载荷的外圧调整残余应力并得到其变化规律。再开展耐压球壳试验模型残余应力测量试验和外压试验分别得到外压试验前后的残余应力。最后比较耐压球壳的试验测量值和数值模拟值，验证耐压球壳开孔区域焊接和外压试验采用数值模拟的可行性。
　　(4)窄间隙焊接和电子束焊接的耐压球壳焊接残余应力及残余应力调整效果对比研究。采用数值模拟的方法，对比研究不同焊接方式——窄间隙焊接和电子束焊接的残余应力分布情况，然后分别对两种焊接方式制作的耐压球壳进行外压处理，研究残余应力的调整效果，最终得到不同焊接方式对残余应力的影响以及外压处理对残余应力调整效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 相关领域的研究现状

1.3 本文研究内容及创新点

第2章 焊接有限元分析及球壳理论研究

2.1 焊接有限元分析概述

2.2 焊接温度场有限元分析

2.3 焊接应力场有限元分析

2.4 ANSYS生死单元技术

2.5 耐压球壳屈曲校核理论

2.6 本章小结

第3章 深海耐压球壳试验模型设计研究

3.1 试验模型的初步设计

3.2极限强度校核

3.3 试验模型稳定性校核

3.4 本章小结

第4章 耐压球壳残余应力数值模拟与试验对比研究

4.1 数值模拟试验模型的焊接残余应力

4.2 残余应力调整的数值模拟研究

4.3 试验模型残余应力测量及调整

4.4 数值模拟值和试验测量值对比

4.5 本章小结

第5章 窄间隙焊接和电子束焊接残余应力的调整

5.1 耐压球壳开孔区域焊接残余应力研究方法

5.2耐压球壳开孔区域焊接的数值模拟

5.3 窄间隙焊接数值模拟

5.4 电子束焊接数值模拟

5.5 不同焊接方式残余应力的调整

5.6 本章小结

结论

1、 本文主要结论

2、 研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢