超声冲击处理消除焊接接头残余应力的数值模拟

摘要

在船舶建造过程中,平板对接焊是船体焊接最常见的一种方式,焊件在焊后不可避免的存在焊接残余应力和变形。焊接残余应力和变形成为影响船体使用性能和建造精度控制的重要因素之一。因此,消除船体构件的有害焊接残余拉应力,不仅可以极大的提高船舶使用性能,改善焊接接头的疲劳性能,而且对于实现船舶制造的精度控制非常有利。目前消除焊接残余应力的方法和措施有很多,如热处理法、机械拉伸法、振动时效法和超声冲击法等等,超声冲击法消除残余应力与锤击法和喷丸法具有基本一致的作用机理,但超声冲击法方法具有较好的灵活性、易操作、效率高、成本低,使用范围广等诸多优势,是国内外近年来研究比较多的一种改善焊接接头残余应力分布,提高构件疲劳寿命的方法。
　　本文使用有限元软件ANSYS对焊接过程和超声冲击处理法消除焊接残余应力的过程进行数值模拟。本文以超声冲击试验为依托,结合其处理过程对Q235钢板平板对接焊进行数值模拟分析,利用ANSYS的热分析模块对焊接构件进行焊接过程温度场的模拟,然后在此基础上进行热-结构应力耦合分析,对平板对接焊接头的三维应力场进行有限元计算,进而对焊接过程的温度场和应力应变场的规律进行相应的分析和研究,并结合理论与试验数值进行对比,分析模拟过程的正确性和吻合度,并为进行超声冲击处理过程模拟做准备。
　　通过对超声冲击处理消除残余应力的机理和过程进行研究,并结合ANSYS应用软件的接触算法进行分析,在焊接应力场模拟的基础上对超声冲击处理过程进行简化模拟,通过数值求解调整ANSYS的接触分析过程中的冲击深度,得出与试验结果相近的数值,为进一步对超声冲击处理机理的数值研究和工艺技术的优化提供理论支持。

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第1章 绪论

1. 1 选题的背景意义和价值

1. 2 超声冲击处理技术国内外研究现状和发展趋势

1. 3 超声冲击处理技术和设备的特点

1. 4 本文研究的主要内容

1. 5 本文的组织结构

第2章 焊接温度场和应力场的有限元分析理论

2. 1 有限元法简介

2. 2 焊接过程的特点及有限元模型简化

2. 3 焊接温度场的分析理论

2. 4 焊接应力场有限元分析理论

2. 5 基于ANS YS的焊接模拟分析过程

2. 6 本章小结

第3章 超声冲击试验及焊接过程数值模拟

3. 1 平板对接焊模型的建立

3. 2 边界条件和载荷步

3. 3 选择焊接热源

3. 4 边界换热系数

3. 5 相变潜热

3. 6 焊接温度场求解分析

3. 7 焊接过程应力和变形的模拟分析

3. 8 本章小结

第4章 焊接温度场和应力场模拟结果分析

4.1 ANSYS的热分析后处理

4. 2 焊接温度场的计算结果分析

4. 3 焊接应力应变场的计算结果分析

4. 4 应力场计算结果与试验比较分析

4. 5 本章小结

第5章 超声冲击处理消除焊接残余应力模拟分析

5. 1 超声冲击过程分析

5. 2 超声冲击应力场初始条件的建立

5.3 ANSYS接触分析能力

5. 4 超声冲击模型建立

5. 5 建立模型并调整冲击过程的位移载荷

5. 6 超声冲击处理结果分析

5. 7 本章小结

第6章 总结与展望

6. 1 本文主要工作及总结

6. 2 研究工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及学术成果

致谢