铸钢节点环形对接焊缝残余应力分析

摘要

铸钢节点与普通钢管的连接方式主要是焊接，焊接产生的残余应力通常可达到屈服强度，会严重影响结构的疲劳强度。近些年来，国内外学者对环形对接焊缝的焊接残余应力已做出了一些研究，但研究对象主要针对的是薄壁、等厚的管线钢管或不锈钢管道的环焊缝，研究结果集中在残余应力分布方面，缺少参数化分析，而铸钢圆管与普通圆管焊接时两者壁厚一般不等，这种情况研究较少。
　　本文在热-弹塑性理论的基础上，以环形对接焊缝连接的G20Mn5铸钢圆管和Q345普通圆管为分析对象。选择内生热率热源模型模拟焊接热输入，利用生死单元技术模拟焊接填充过程。选取Q345普通圆管的径厚比d/t、G20Mn5铸钢圆管与Q345圆管的壁厚比T/t以及Q345圆管的壁厚t为分析参数，分析得出了构件内、外表面沿其长度、圆周方向的焊接残余应力分布。同时，指出了不同分析参数对残余应力的影响，并提出了可供工程参考的残余应力的范围。
　　通过以上分析，得出下列结论:
　　(1)对于铸钢节点环形对接焊缝多层焊接的有限元模拟，内生热率热源模型比双椭球热源模型更为适合。
　　(2)在焊缝金属区，随d/t的增加，构件内、外表面沿其长度方向的残余压应力增大，内表面沿其圆周方向的残余拉应力增大而外表面沿该方向的残余拉应力无明显变化;随T/t的增加，构件内表面沿其长度方向的残余压应力增大而外表面沿该方向的残余压应力减小，内、外表面沿其圆周方向的残余拉应力无明显变化;随t的增加，构件内表面沿其长度方向的残余压应力增大且外表面沿该方向的残余拉应力也增大，构件内表面沿其圆周方向的残余拉应力减小而外表面沿该方向的残余拉应力增大。
　　(3)当d/t、T/t及t的取值均在常用范围之内时，构件内表面沿其长度方向的残余应力最大值为压应力，最大值范围:87.5～150N/mm2;构件外表面沿其长度方向的残余应力最大值为拉应力，最大值范围:115～155N/mm2;构件外表面沿其圆周方向的残余应力最大值为拉应力，最大值范围:205～245N/mm2;构件内表面沿其圆周方向的残余压应力最大值范围:70～135N/mm2;构件内表面沿其圆周方向的残余拉应力最大值范围:60～160N/mm2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 存在的问题及本文研究的主要内容

第二章 焊接过程有限元分析理论

2．1 焊接过程的数值模拟方法

2．2 焊接温度场基本理论

2．2．1 焊接过程的特点

2．2．2 焊接传热的基本定律

2．2．3 焊接温度场的理论分析

2．3 焊接残余应力场基本理论

2．3．1 焊接残余应力的产生

2．3．2 屈服准则

2．3．3 流动准则

2．3．4 强化准则

2．4 耦合场的分析方法

2．4．1 直接耦合法

2．4．2 间接耦合法

2．4．3 耦合场分析流程

第三章 焊接温度场有限元分析

3．1 关键问题的处理

3．1．1 材料特性参数

3．1．2 焊接热源

3．1．3 焊接填充过程模拟方法

3．2 有限元模型

3．2．1 焊接构造

3．2．2 单元类型

3．2．3 网格划分

3．2．4 边界条件

3．3 焊接温度场求解结果与分析

3．3．1 ANSYS中温度场计算的分析选项设置

3．3．2 焊接温度场整体分布

3．3．3 不同时刻各点的温度-时间历程曲线

第四章 焊接残余应力场有限元分析

4．1 关键问题的处理

4．1．1 单元选取和材料属性

4．1．2 边界条件和施加荷载

4．1．3 分析选项和求解

4．2 焊接残余应力场求解结果与分析

4．2．1 沿构件长度方向的残余应力求解结果与分析

4．2．2 沿构件圆周方向的残余应力求解结果与分析

4．3 有限元模拟结果与试验测量结果对比分析

4．3．1 测点布置

4．3．2 沿构件长度方向的残余应力对比分析

4．3．3 沿构件圆周方向的残余应力对比分析

第五章 焊接残余应力场参数化分析

5．1 径厚比d／t对焊接残余应力的影响

5．1．1 d／t对构件沿其长度方向的残余应力的影响

5．1．2 d／t对构件沿其圆周方向的残余应力的影响

5．2 壁厚比T／t对焊接残余应力的影响

5．2．1 T／t对构件沿其长度方向的残余应力的影响

5．2．2 T／t对构件沿其圆周方向的残余应力的影响

5．3 壁厚f对焊接残余应力的影响

5．3．1 t对构件沿其长度方向的残余应力的影响

5．3．2 t对构件沿其圆周方向的残余应力的影响

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢