基于焊接缺陷的焊接工艺可靠性分析

摘要

焊接结构在海洋工程、化工、能源、航空航天、交通、机械以及建筑等重要的工业部门已经得到越来越广泛的应用。由于焊接工艺过程本身是温度剧烈变化的过程，在焊接时剧烈且不均匀的热量分布会导致焊接结构产生焊接缺陷，这些缺陷会直接影响到焊接构件的结构性能与安全可靠性。针对焊接过程中暴露出的可靠性问题，对焊接工艺进行相应的可靠性分析具有很重要的现实意义。
　　本文针对焊接残余应力类缺陷，以残余应力大小作为缺陷的表征参数，获取主要工艺影响因素，建立基于近似模型的焊接工艺可靠性模型。在近似模型的建模方法分析中，选取响应面模型建立工艺可靠性近似模型，再根据均匀试验设计方法，选取仿真试验的参数组合，从而减少计算残余应力可靠性数学模型的试验次数。
　　针对所设定的仿真试验的参数组合，应用有限元软件ANSYS进行仿真模拟。建立了平板对接焊的有限元模型，为了提高仿真分析的准确性，在计算时考虑了材料属性随温度变化的性质，采用合理的网格划分策略，并选用双椭球热源模型进行移动热源的加载，最终得到了焊接温度场的分析结果。在温度场分析的基础上，采用间接耦合法，将温度场耦合载入对焊接应力应变场进行求解，最终得到平板对接焊焊后残余应力的应力场分布情况。
　　根据不同参数组合下的残余应力结果，建立基于响应面模型的焊接残余应力可靠性数学模型。结合可靠性分析方法，对焊接残余应力可靠性模型进行相应的可靠性分析，最终得到工艺输入因素的分布参数对可靠度的影响作用大小及趋势。
　　本文研究了焊接工艺过程的可靠性问题，研究内容对于焊接工艺过程的优化，以及提高焊接结构的可靠性具有一定的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 焊接残余应力场研究进展

1．2．1 焊接残余应力场的试验研究

1．2．2 焊接残余应力场的数值模拟

1．3 工艺可靠性分析研究进展

1．4 本文的主要研究内容

第2章 基于近似模型的焊接工艺可靠性模型

2．1．2 焊接残余应力产生的构成因素

2．1．3 焊接工艺影响因素筛选

2．2 基于近似模型的焊接工艺可靠性建模技术

2．2．1 焊接工艺可靠性分析中的基本概念

2．2．2 基于试验设计的近似模型建模技术

2．2．3 近似模型的理论基础

2．2．4 常用近似模型

2．2．5 试验设计

2．2．6 小结

2．3 建立焊接残余应力工艺可靠性模型

2．3．1 响应面函数形式

2．3．2 可靠性模型显示关系式

2．3．3 均匀试验设计

2．3．4 响应面模型的精度控制

2．4 本章小结

第3章 焊接工艺过程有限元分析

3．1 焊接工艺过程有限元分析的特点

3．2 焊接温度场计算的分析基本过程

3．2．1 焊接温度场分析流程图

3．2．2 有限元模型建立

3．2．3 生死单元技术

3．2．4 移动热源的实现

3．2．5 材料物理性能参数

3．2．6 热源模型选取

3．3 焊接温度场的计算结果

3．4 焊接应力场计算的分析基本过程

3．4．1 单元选择

3．4．2 材料属性设置

3．4．3 载荷的施加及边界条件的设定

3．5 焊接应力场的计算结果

3．5．1 等效应力云图

3．5．2 纵向应力的分布

3．5．3 横向应力的分布

3．5．4 结论

3．6 本章小结

第4章 常用可靠性及灵敏度分析方法

4．1 可靠性分析方法

4．2 均值一次二阶矩法

4．3 改进一次二阶矩法

4．4 Monte Carlo数值模拟法

4．5 重要抽样法

4．6 本章小结

第5章 焊接工艺模型可靠性与灵敏度分析

5．1 焊接工艺可靠性模型

5．1．1 工艺可靠性建模及可靠性分析

5．1．2 残余应力响应面模型的显示化处理

5．2 响应面模型的精度分析

5．3 算例分析

5．3．1 随机变量的分布类型及参数的确定

5．3．2 焊接残余应力工艺模型可靠度求解

5．3．3 残余应力工艺模型灵敏度分析及关键影响因素确定

5．3．4 焊接工艺参数的改进

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢