大型壳体结构焊接变形及残余应力调控方法研究

摘要

核电安全壳钢衬里、船舶外壳等大型焊接壳体结构，由于其体积庞大，结构复杂，易产生焊接变形超差和残余应力过大等问题，这些问题是大型壳体结构焊接制造与施工过程中亟待解决的难题。焊接模拟技术可以预测焊接变形和残余应力，可为焊接变形应力的调整与控制提供理论依据和指导。然而焊接模拟的准确性受到焊接热源模型准确性的影响，制约了焊接模拟技术的有效指导作用。
　　本文提出了基于多项式曲线拟合焊缝横截面轮廓的组合热源模型。该模型由旋转体和高斯面两部分构成，采用多项式曲线拟合焊缝横截面轮廓并将其作为旋转体边界，对旋转体内部施加热流密度建立熔池内部热流分布函数，焊缝表面采用高斯面热源模型建立电弧对熔池表面的热辐射关系。组合热源模型具有求解参数少、模拟准确性高特点，与传统双椭球、高斯体热源模型相比，焊缝横截面模拟准确度分别提高16.0％和19.0％，焊接变形模拟精度分别提高12.7％和15.9％。
　　依据塑性应变区不均匀体积收缩引起的收缩力和弯矩与壳单元模型收缩力和弯矩分别相等的关系，建立了对焊等效壳单元模型。该模型可解决体单元模型单元数量过大及焊接大变形导致的热机耦合模拟不收敛问题，采用等效壳单元模型建立的安全壳钢衬里模拟变形与试验测试结果对比最大误差为21.3％。
　　提出了高斯特性热源平行加热调控焊接应力方法。采用两束高斯特性氧乙炔火焰作为热源，平行加热焊趾两侧一定距离部位的母材，通过焊缝材料的塑性变形实现焊接拉应力的释放。该方法可实现大型壳体结构焊接应力的灵活调控。
　　此外基于组合热源模型和高斯特性热源平行加热调控应力方法，开展了平行加热工艺参数对焊接应力的影响研究，建立了核电安全壳钢衬里焊接接头的残余应力调控工艺窗口。残余应力测试结果表明，平行加热处理后焊缝表面纵向残余拉应力降低45.0％，横向残余应力降低3.4％。
　　本文针对核电、船舶等大型壳体结构焊接特点，开展了焊接变形及应力的模拟与调控方法研究。本研究对推动焊接模拟技术在大型壳体结构焊接中的推广应用、促进我国核电技术的发展具有重要的学术意义和工程应用价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 焊接热源模型研究

1．2．2 焊接变形模拟研究

1．2．3 焊接残余应力调控

1．3 本文研究内容

2 基于多项式曲线拟合的组合热源模型

2．1 理论基础与依据

2．1．1 组合热源模型理论基础

2．1．2 多项式曲线阶次分析

2．2 组合热源模型的建立

2．2．1 多项式曲线拟合提取

2．2．2 旋转体热源模型部分

2．2．3 高斯面热源模型部分

2．2．4 组合热源模型

2．3 焊接试验设计

2．4 有限元模型建立

2．5 结果分析

2．5．1 熔池轮廓预测及分析

2．5．2 热循环曲线对比分析

2．5．3 焊接变形及塑性应变区对比分析

2．5．4 焊接残余应力对比分析

2．6 本章小结

3 基于塑性应变区体积收缩力的壳单元对焊模型

3．1 忽略余高影响的壳单元对焊模型

3．1．1 焊缝力学分析

3．1．2 等效壳单元模型建立

3．2 考虑余高影响的壳单元对焊模型

3．2．1 焊缝力学分析

3．2．2 等效壳单元模型建立

3．3 试验设计

3．4 有限元模型建立

3．4．1 体单元弹塑性有限元模型

3．4．2 等效壳单元有限元模型

3．5 模拟结果对比

3．6 本章小结

4 安全壳钢衬里焊接变形预测分析

4．1 热源模型建立

4．1．1 焊缝轮廓提取

4．1．2 多项式曲线拟合焊缝横截面轮廓

4．1．3 组合热源模型参数的求解

4．1．4 壳单元模型参数求解

4．2 安全壳钢衬里焊接变形模拟预测

4．2．1 壳单元有限元模型建立

4．2．2 变形模拟及验证

4．3 本章小结

5 高斯特性热源平行加热调控焊接应力方法

5．1 残余应力调控解析模型

5．1．1 焊接残余应力分析

5．1．2 平行加热过程残余应力分析

5．2 残余应力调控过程

5．2．1 焊接过程

5．2．2 平行加热处理过程

5．3 有限元模型建立

5．4 工艺参数影响规律

5．4．1 加热距离与残余应力

5．4．2 初始温度与残余应力

5．4．3 峰值温度与残余应力

5．4．4 峰值温度与最佳加热距离

5．4．5 有效加热半径与残余应力

5．4．6 移动速率与残余应力

5．4．7 板厚与残余应力

5．5 应力应变演变分析

5．5．1 残余应力演变分析

5．5．2 应变演变分析

5．6 本章小结

6 安全壳钢衬里典型焊缝残余应力调控研究

6．1 焊接残余应力整体分布

6．2 残余应力调控工艺窗口制定

6．3 试验设计

6．4 有限元模型建立

6．5 残余应力对比分析

6．5．1 纵向残余应力

6．5．2 横向残余应力

6．6 本章小结

7 结论

7．1 本文主要工作及结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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