低匹配焊接接头弯曲等承载设计及随焊整形

摘要

低匹配接头承载能力较母材或等匹配接头有所降低，限制了其广泛应用。基于强度参量以及断裂强度因子参量对低匹配拉伸等承载接头设计已有相关的研究，但是对于低匹配接头弯曲等承载设计方面的研究还未见报道。因此，为提高低匹配接头的弯曲承载能力，使其弯曲承载能力能够达到母材，本文在假定无焊接缺陷、忽略冶金作用和残余应力的前提下，通过理论研究、有限元分析与试验验证相结合的方法，分别针对弹性状态与塑性状态，提出了弯曲等承载的判据及实现条件，并提出了弯曲等承载接头设计准则，按照该设计准则可以设计出弯曲承载能力与母材相当的低匹配焊接接头。
　　基于材料力学理论，研究了弹性状态焊缝金属与母材存在不同力学性能情况下满足弯曲等承载能力的临界条件，推导出弹性状态低匹配对接接头满足弯曲等承载条件的几何形状临界曲线，在给定的相同弯曲载荷的条件下，以低匹配接头不先于母材发生屈服为约束条件，并通过接头余高高度、熔宽宽度以及焊趾半径等几何形状细节设计，给出了弹性状态非均质变截面低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则。基于塑性弯曲理论，研究了塑性状态焊缝金属与母材存在不同力学性能情况下满足弯曲等承载能力的临界条件，推导出塑性状态低匹配对接接头满足弯曲等承载条件的几何形状临界曲线，在给定的相同弯曲载荷的条件下，以塑性状态低匹配接头不先于母材达到抗拉强度为约束条件，并通过接头几何形状细节设计，给出了塑性状态非均质变截面低匹配焊接接头弯曲等承载设计准则。通过有限元法分别验证了弹性阶段与塑性阶段低匹配接头弯曲等承载设计准则的正确性。
　　理论研究表明，塑性状态不能使用抗拉强度匹配比用于弯曲等承载设计,因此提出了表征塑性状态弯曲等承载设计的指标参量（当量应力）。当量应力是一个反映材料性能的指标，只与材料其他性能参数有关，表征了材料最大应力达到材料抗拉强度时极限塑性载荷与当量应力之间的关系。定义当量应力匹配比为焊缝当量应力与母材当量应力的比值，当量应力匹配比可用于塑性状态焊接接头弯曲等承载设计。
　　理论推导弯曲等承载接头的临界曲线为抛物线形状，考虑工程应用的因素，进行了圆弧替代抛物线形状的可行性分析。基于弯曲等承载设计准则，分别给出了弹性阶段与塑性阶段适合工程应用的三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法。分别通过有限元法和试验方法验证了三圆相切低匹配对接接头弯曲等承载设计方法的正确性，验证结果均表明设计的低匹配弯曲等承载对接接头弯曲承载能力能够达到母材且远高于余高削平的低匹配对接接头，满足弯曲等承载设计要求。
　　针对现有获得等承载接头方法的不足，本文设计了三圆相切随焊整形轮，并实现了等承载接头的随焊整形，获得了所需要的接头几何形状。针对固定形状的整形轮只能对单一形状尺寸等承载接头进行随焊整形的局限性，设计了宽度可调节的平余高形状随焊整形轮，拓宽了随焊整形的使用范围。对等承载接头随焊整形效果进行了相关的力学性能实验，结果表明：随焊整形等承载接头基本达到母材的弯曲承载能力，满足弯曲等承载要求；焊缝区硬度较原始焊态接头有较大的提高，对作用区域有加工硬化的效果；随焊整形能够降低残余应力，甚至引入有益的压应力。
　　弯曲等承载设计可以使低匹配接头的弯曲承载能力能够达到母材，可以按照母材的弯曲承载能力进行焊接结构设计。探讨了随焊整形的可行性，获得了弯曲等承载接头所需要的几何形状。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 高强钢及其焊接性

1.3 高强钢焊接接头设计方法

1.4 焊接接头等承载设计研究现状

1.5 焊缝整形方法及研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2章 弯曲等承载设计思想与理论分析

2.1 引言

2.2 低匹配焊接接头弯曲等承载设计思想及实现条件

2.3 弹性状态低匹配焊接接头弯曲等承载设计理论分析

2.4 塑性状态低匹配焊接接头弯曲等承载理论分析

2.5 本章小结

第3章 弹性状态低匹配对接接头弯曲等承载设计

3.1 引言

3.2 弹性状态双侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计

3.3 弹性状态单侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计

3.4 本章小结

第4章 塑性状态低匹配对接接头弯曲等承载设计

4.1 引言

4.2 塑性状态双侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计

4.3 塑性状态单侧余高三圆相切低匹配接头弯曲等承载设计

4.4 本章小结

第5章 等承载接头随焊整形

5.1 引言

5.2 等承载接头随焊整形

5.3 等承载接头随焊整形效果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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