X80管线钢环焊缝焊接残余应力数值模拟

摘要

大口径高压输送及采用高钢级管线钢是国际管道工程发展必然趋势，通过采用高钢级管线钢管来提升管道输送压力由此可提高输送(天然气)效率和减薄管道壁厚，相应地减少焊材消耗，从而节约建设输送管线的投资。但是管线钢强度级别越高，焊接时产生的残余应力也越大，因此有必要了解残余应力的大小及分布从而有针对性地调控减小之。 X80管线钢是控轧控冷的微合金钢，具有较高强度和良好的抗延性断裂能力，是输气管道中应用日趋广泛的高钢级管材。本课题以X80管线钢为研究对象，以金属物理学、焊接传热学和力学等基本理论为基础，通过物理实验和数值模拟相结合的手段对X80管线钢对接接头的焊接温度场和应力场进行了模拟仿真。应用SYSWELD工程有限元分析软件，采用双椭球焊接热源模型，同时考虑了材料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，动态模拟了X80管线钢多层焊过程，得到了不同工艺参数下焊接热影响区粗晶区的焊接热循环曲线，实现焊接温度场、组织转变场和应力应变场的三场耦合计算。通过数值模拟获得了不同焊接工艺参数下焊接应力分布的变化和残余应力的分布结果，从而为进一步耦合计算焊接接头的局部扩散氢浓度打下基础。 此外，运用线性回归分析方法对热影响区、焊缝的残余应力和焊接线能量及预热温度之间的线性关系进行了拟合分析，得出了热影响区、焊缝处的最大残余应力和焊接线能量及预热温度两个影响因子之间的对应关系，在宏观上揭示了各种因素对残余应力的影响，从而为优化焊接工艺参数提供一定的理论依据。

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第一章绪论

1.1选题背景和意义

1.2管线钢概述

1.2.1管线钢的发展现状及应用

1.2.2管线钢的基本组织与性能特征

1.3数值模拟的方法及其在焊接中的应用

1.3.1焊接数值模拟意义及其在国内外发展概述

1.3.2焊接数值模拟的内容

1.3.3焊接数值模拟中的数值分析方法

1.4本课题研究的内容

第二章试验材料及试验方案

2.1试验材料

2.1.1试验用钢板材料

2.1.2试验用焊接材料

2.2试验方案

2.3试验具体步骤

2.4本章小结

第三章X80钢焊接温度场的数值仿真

3.1 SYSWELD软件介绍

3.1.1 SYSWELD软件概述

3.1.2 SYSWELD焊接向导模块的主要分析功能

3.2焊接温度场数值仿真

3.2.1焊接温度场数值模拟数学模型的确定

3.2.2焊接试件几何模型的确定

3.2.3双椭球热源模型参数的确定

3.2.4焊接温度场数值模拟结果分析

3.2.5焊接工艺参数对热循环曲线的影响

3.3本章小结

第四章管线钢环焊缝焊接应力数值模拟

4.1焊接应力场数值模拟

4.1.1焊接过程中各层的残余应力分布

4.1.2焊后各层的残余应力分布

4.2本章小结

第五章不同焊接线能量和预热温度对残余应力的影响

5.1不同焊接线能量和预热温度下残余应力的分布

5.2本章小结

第六章全文总结

参考文献

致 谢