船体构件切焊连续加工中的残余应力问题研究

摘要

船舶建造是一系列工艺方法对船体构件进行连续加工的过程，最终船体结构内的残余应力与变形是多项工艺联合作用的结果。因此，为准确掌握船体构件内残余应力和变形的分布规律，不应只关注由单项工艺引起的残余应力（例如焊接残余应力），需要以动态视角追踪整个船体建造周期，关注残余应力在多工艺连续加工中的演变过程，以及多工艺联合作用产生的耦合残余应力的分布规律。本文在研究船体构件中的残余应力问题时，强调“分布”和“演变”两个视角，以船体建造中典型的连续加工过程——热切割与焊接的连续加工为切入点，着重分析这一过程中耦合残余应力的分布规律、演变过程、切焊耦合作用等关键问题:
　　(1)为获得船体构件内准确的残余应力分布与变形，一个重要前提就是掌握构件在焊接前的初始应力状态。热切割作为焊接加工前最重要的成形工艺，它所产生的切割残余应力作为焊接前的初始应力场，对焊接残余应力和变形都有重要影响。本文基于氧气切割的化学反应方程式与熔渣成份分析，提出了表面预热火焰和铁燃烧内生热的组合热源模型，并通过氧气切割实验中的温度场红外成像，确定了热源模型参数，并验证其可靠性;基于该热源模型，进一步构建了氧气切割热力过程的数值分析模型，计算得到氧气切割残余应力分布，并通过冲击压痕法应力测试加以验证。
　　切割残余应力的分布主要表现为割缝边缘的高拉应力区和较远处与之相平衡的压应力区。当割缝达到一定长度后，沿横向中心线上的纵向应力分布具有高度代表性，根据该路径上的应力分布特征，将横向中心线划分为3个应力区域，并提出了6个特征量对切割应力分布进行参数化表达。
　　(2)对氧气切割残余应力分布规律进行了定量分析，不同于以往以应力值为研究对象，本文关注的是应力分布特征量，建立切割应力分布特征量与切割关键工艺要素之间的数学关系方程。
　　首先进一步提炼切割残余应力分布特征量，选出两个最具代表性的特征量:高拉应力区宽度B1、横截面拉应力积分Ft，将其作为回归方程中的因变量。之后对回归方程中的自变量——切割工艺要素进行分类与筛选，分别进行B1和Ft对切割速度v、边界约束R、切割长度L、工件宽度B、工件厚度H的单因素回归分析，以考察各工艺要素对应力分布特征量的影响程度，通过研究发现:用逆函数一一拟合B1、Ft与L、B、H取得了显著效果，而边界约束R对B1与Ft的影响具有系列性，将其作为定性变量加入回归模型。最后设计了正交试验，通过大量的数值计算和多元回归分析，提出了lnB1、lnFt与L-1、B-1、H-1、R之间的多元线性回归模型，并应用该回归模型对指定工况下的切割残余应力分布进行预测，预测值与数值计算结果差值在10％以内，预测效果良好。
　　(3)以平板构件经氧气切割后再进行对接焊的工艺过程为对象，研究切焊连续加工中的耦合残余应力分布与演变规律，并在其中考虑了切割产生的初始应力场的影响。
　　基于切割应力分布的回归方程，构建了切割、焊接连续加工热力过程的快捷数值分析方法，计算得到切焊耦合残余应力分布，通过平板切焊连续加工实验和X射线衍射法应力测试加以验证。切焊耦合应力的分布形式主要由能产生较大范围的高拉应力区的工艺过程所决定，当焊接产生的高拉应力区宽度B1w小于切割的B1c时，（切割）初始应力场对耦合应力场则有不可忽略的影响。
　　通过对时间域和空间域的分割，分析切焊耦合应力在各区域、各阶段的演变过程。根据温度历程，在时间上将耦合应力演变分为3个阶段:T1～T3。根据B1w和B1c的值，在空间上将横向中心线分为3个区域:Γ1～Γ3。在T1阶段，初始应力场在焊接热源的作用下产生卸载或者叠加等现象，根据所处区域的不同:在Γ1（0～B1w）内，初始应力被卸载成为压应力;在Γ2(B1w～B1c)内，初始应力基本不变;在Γ3(B1c～板边)内，初始应力因与新生成的焊接应力叠加而增大。在T2、T3阶段，耦合应力则随温度的升降而变化。
　　通过比较切焊耦合应力和焊接（单独加工产生的）应力的演变过程，探讨初始应力对耦合应力演变的影响，主要表现在T1阶段，当存在初应力场时，耦合应力的增大梯度要大于焊接应力。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 造船工艺中的残余应力问题的特殊性

1．1．2 造船工艺残余应力研究存在的不足

1．1．3 研究目的与意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 热切割工艺相关热力学问题研究

1．2．2 焊接应力、变形对焊接工艺要素的回归分析

1．3 本文主要研究内容

2 氧气切割热力过程数值分析与实验研究

2．1 前言

2．1．1 氧气切割在船舶建造中的应用

2．1．2 氧气切割中的残余应力与变形问题

2．2 氧气切割复合热源模型研究

2．2．1 氧气切割原理

2．2．2 氧气切割复合热源模型研究，

2．3 氧气切割热力过程数值分析

2．3．1 氧气切割过程数值分析原理

2．3．2 氧气切割温度场分布规律

2．3．3 氧气切割残余应力场分布规律

2．4 氧气切割实验研究

2．4．2 实验设备

2．4．3 氧气切割实验方案

2．4．4 温度场测量结果与验证

2．4．5 变形测量结果与验证

2．4．6 残余应力测量结果与验证

2．4．7 误差分析

2．5 本章小结

3 切割残余应力分布对切割工艺要素的回归分析

3．1 前言

3．2 切割残余应力分布特征量的提炼

3．2．1 横向中心线上的残余应力分布特征量

3．2．2 中横剖面上的残余应力分布特征量

3．2．3 氧气切割工艺要素的分类

3．3 切割速度对残余应力分布的影响

3．4 边界约束对残余应力分布的影响

3．4．1 约束a与约束b的对比

3．4．2 约束b与约束c的对比

3．4．3 综合对比

3．5 工件尺寸对残余应力分布的影响

3．5．1 切割长度的影响

3．5．2 工件宽度的影响

3．5．3 切割长度、工件宽度、约束条件的综合影响分析

3．5．4 工件厚度的影响

3．6 B1、Ft对L、B、H、R的多元回归分析

3．6．1 正交试验设计

3．6．2 B1对L、B、H、R的多元回归分析

3．6．3 Ft对L、B、H、R的多元回归分析

3．6．4 切割残余应力分布特征的预测

3．7 本章小结

4 考虑初始应力场影响的切焊连续加工耦合应力研究

4．1 前言

4．2 切焊连续加工热力过程数值分析

4．2．1 切焊连续热力过程数值分析方法

4．2．2 有限元模型与材料特性

4．2．3 热源模型

4．2．4 边界条件

4．2．5 割缝与焊缝的生成

4．2．6 工艺参数

4．2．7 焊接温度场分布

4．3 切焊耦合残余应力分布规律

4．3．1 初始残余应力场分布形式

4．3．2 切焊连续加工的耦合残余应力场分布规律

4．4 切焊耦合残余应力测试实验

4．4．1 实验目的

4．4．2 加工方案

4．4．3 x射线衍射法应力测量原理

4．4．4 应力测量方案

4．4．5 应力测量结果与验证

4．4．6 误差分析

4．5 耦合应力在切割、焊接连续加工中的演变

4．5．1 耦合应力场的瞬时分布状态

4．5．2 耦合应力随时间的演变规律

4．6 耦合应力与焊接应力演变过程的比较

4．6．1 应力场的瞬时分布状态的比较

4．6．2 应力随时间的演变过程的比较

4．7 本章总结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介