低合金钢管道环焊缝接头焊接应力应变规律研究

摘要

管道结构在化工、石油等国民经济的重要部门中应用广泛，其焊接过程中产生的焊接残余应力和变形会影响构件的使用寿命。因此，开展管道环焊缝接头焊接应力变形规律研究，讨论材料性能、预变形、预应力、热处理工艺等对应力变形的影响，比较不同模型下的计算结果，为控制、调整和减少焊接残余应力与变形提供理论依据，具有重要的学术价值和现实意义。　　本文以热—弹塑性理论为基础，以ANSYS通用有限元计算软件为平台，建立了低合金钢管道环焊缝接头温度场和应力应变场的板单元模型、壳单元模型及三维实体单元模型，讨论了各参数对焊接应力变形的影响规律。采用盲孔法实测管道环焊缝接头的残余应力并与有限元计算值进行比较和验证。本研究的主要工作和结论有以下几个方面：　　建立低合金钢管道环焊缝接头焊接温度场和应力应变场二维板单元轴对称模型并得到了焊接过程中的温度场以及应力应变场分布。优化了有限元模型中的网格密度、焊缝模型、热源模型等参数，得到热传导系数、比热、热膨胀系数对焊接变形的影响趋势。　　建立焊接温度场和应力应变场壳单元模型，得到焊接残余应力与变形的分布。其中轴向应力的分布与焊缝周围焊接径向收缩产生的“附加弯曲应力”有关。详细分析了焊前反变形、预应力、焊前热处理工艺对焊接应力与变形的影响，验证了上述工艺降低焊缝及近缝区焊接变形的可行性。　　建立了管道环焊缝接头焊接温度场和应力应变场三维移动热源有限元分析模型，通过施加生死单元实现了焊接过程中的“熔敷”现象。计算结果可以看出：在焊缝及其附近区域产生了明显的“内凹”径向变形，而在接头两端产生了轴向收缩；管道内表面周向残余应力较大，表现为拉应力，且随着远离焊缝距离的增加过渡为压应力。管道内表面焊缝及其附近区域轴向残余应力表现为较大的拉应力，而外表面则为压应力。　　板单元与壳单元模型计算能对三维实体单元模型计算起到一定的借鉴作用。但是板单元无法实现热源的移动，而壳单元无法实现多层焊各层之间的关系。因此，对于大直径或者是管道较薄等结构进行焊接残余应力分析时，为了保证计算精度，应尽量使用三维实体模型进行焊接有限元分析。　　用盲孔法实际测量并计算得到了管道环焊缝接头的残余应力结果。从而验证了三维有限元模型在计算焊接残余应力中的有效性和正确性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外焊接温度场研究发展概况

1.3 焊接应力和变形的研究进展

1.4 有限元软件在焊接数值模拟中的发展

1.5 本文研究意义及主要研究内容

第二章 焊接有限元分析的理论基础及模型的建立

2.1 有限元法介绍

2.2 焊接有限元分析基础

2.3 ANSYS焊接应力应变计算数学模型的建立

2.4 焊接温度场理论分析

2.5焊接应力和变形计算方法

第三章 ANSYS焊接应力变形分析的板对称单元计算

3.1 板单元轴对称模型

3.2 计算结果

3.3 不同参数对计算结果的影响

3.4 本章小结

第四章 ANSYS焊接应力变形分析的壳单元计算

4.1 壳单元计算模型

4.2计算结果

4.3 反变形、预应力及焊前热处理对计算结果的影响

4.4 材料力学性能（高温屈服强度）对计算结果的影响

4.5 本章小结

第五章 管道环焊缝焊接应力变形的三维计算

5.1 三维实体单元模型

5.2 管道焊三维温度场计算及结果分析

5.3 管道焊三维应力应变场计算及结果分析

5.4 三种模型计算结果比较

5.5 三维实体模型计算值与实验值比较

5.6 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

致谢

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