焊接残余应力对半潜式海洋平台关键节点疲劳寿命影响研究

摘要

随着焊接技术的发展和海洋平台建造水平的提高，高强度钢越来越多地应用于船舶与海洋工程结构物的关键部位。高强钢的采用有利于提升结构的强度，但其弹性模量并未提高，反而使得高强钢结构的焊接变形及焊接残余应力问题更加突出，尤其是焊接残余应力的存在将会对结构的疲劳寿命产生较大影响。因此，开展焊接残余应力对疲劳寿命的影响研究具有十分重要的意义。
　　本文以半潜式海洋平台为研究对象，从焊接残余应力对疲劳寿命影响机理出发，运用试验和数值模拟手段对焊接残余应力的分布规律及其对疲劳寿命的影响做了大量分析。利用ANSYS软件建立了半潜式海洋平台的水动力模型，开展了动力响应分析，选择其中典型工况作为计算工况；建立了半潜式海洋平台结构有限元模型，开展了结构强度分析，确定了平台结构的疲劳热点；最后对比分析了考虑残余应力和无残余应力影响时结构的疲劳寿命，得到了非常有工程意义的结论。本文主要研究内容包括：
　　（1）基于残余应力产生机理，开展了焊接残余应力对疲劳寿命的影响机理研究，建立了基于残余应力的疲劳寿命分析方法，确定了分析流程；
　　（2）以典型T型焊接结构为研究对象，利用ANSYS软件开展了焊接残余应力数值模拟研究，确定了T型焊接结构焊接残余应力的分布规律和特点；把焊接残余应力作为预应力施加到T型焊接结构上，进行了焊接残余应力对焊接结构疲劳寿命的影响研究；开展了T型焊接结构疲劳试验研究，通过试验结果和有限元数值模拟结果的对比分析，进一步讨论焊接残余应力对疲劳寿命的影响；
　　（3）利用ANSYS软件建立了半潜式海洋平台水动力模型，根据设计波理论，采用AQ WA软件对目标平台进行了波浪载荷预报。针对半潜式海洋平台结构模型选择自存工况下4个典型危险工况进行了整体强度分析，确定了平台结构的热点应力位置；
　　（4）从整体模型中提取半潜式海洋平台疲劳热点模型，采用网格细化技术，基于疲劳累积损伤理论和S-N曲线法获得其疲劳寿命；以“热点模型”为研究对象开展残余应力研究，获得热点结构的残余应力分布特点和规律；把分析得到的残余应力作为预应力施加到热点结构模型上，利用S-N曲线法开展疲劳寿命研究，获得考虑残余应力影响的热点结构的疲劳寿命；对比分析热点结构在无残余应力和考虑残余应力下的疲劳寿命，确定焊接残余应力对焊接结构疲劳寿命的影响。

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第1章 绪论

1. 1 研究背景和意义

1. 2国内外研究和发展状况

1. 3 本文的主要研究内容及关键技术

第2章 基于焊接残余应力的疲劳强度分析基本理论

2. 1 焊接残余应力对疲劳寿命的影响机理

2. 2 基于焊接残余应力的疲劳强度分析流程

2. 3 焊接温度场有限元数值模拟

2. 4 焊接应力场有限元数值模拟

2.5 S-N曲线法概述

第3章 焊接残余应力对T型焊接接头疲劳寿命影响研究

3. 1 引言

3. 2焊接残余应力数值模拟过程关键问题的处理

3.3 T型焊接接头试件疲劳试验

3.4 T型焊接接头试件有限元分析

3. 5 小结

第4章 半潜式海洋平台结构动力响应分析及关键节点确定

4. 1 引言

4. 2 确定设计波参数的方法

4. 3 典型工况

4. 4 半潜式海洋平台有限元模型

4.5基于ANSYS AQWA的水动力分析

4. 6 半潜平台总体强度有限元分析

4. 7 小结

第5章 基于残余应力的半潜式海洋平台关键节点疲劳寿命分析

5. 1 引言

5. 2 不考虑残余应力下关键节点疲劳寿命

5. 3考虑残余应力下关键节点疲劳寿命

5. 5小结

第6章 结论与展望

6. 1 论文完成的主要工作

6. 2 论文得到的主要结论

6. 3 研究展望

参考文献

附录1 焊接残余应力有限元模拟程序（部分）

附录2 波浪单元力文件（部分）

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢