特殊形状贯穿件焊接残余应力和疲劳分析.pdf

哈尔滨工程大学
硕士学位论文
特殊形状贯穿件焊接残余应力和疲劳分析
姓名:刘晓苗
申请学位级别:硕士
专业:一般力学与力学基础
指导教师:李鸿
20090601
摘要由于焊接过程中高度集中的瞬时热输入,焊件内部将产生相当大的残余应力和残余变形。而焊接残余应力会严重影响结构的使用性能和可靠性,因此,对焊接残余应力和疲劳寿命进行计算和分析具有很重要的工程意义。本文首先对焊接过程中的温度场和应力场的基本理论进行了阐述。然后采用砑娜纫唤峁柜詈瞎δ埽眉浣玉詈戏ǎ蕴厥庑巫垂岽┘多道焊焊接过程的温度场和应力场做了数值仿真。最后,结合疲劳分析软件—,以焊接残余应力场为基础,针对不同种类动载荷的作用,对焊接件进行了疲劳寿命和指定循环次数下的安全系数的模拟。在有限元仿真过程中,考虑了材料热物理性能和力学性能随温度的变化,通过编写程序实现了双椭球热源模型的移动加载,同时利用“生死单元技术实现了多道焊焊缝填充的动态过程,并给出了焊接温度场的动态变化云图和焊接残余应力的分布云图。从贯穿件整个模型及二分之一模型的瞬态温度场和应力场的模拟结果可以看出,用二分之一模型代替整个模型,不仅大大减少计算时间,而且可以保证计算精度;对比研究两面交替焊和一面焊两种焊接方式时的焊接件残余应力场模拟结果表明,两面交替焊不仅降低了温度场的最高温度,也大大减小了焊接残余应力。疲劳分析结果表明,焊趾位置是疲劳寿命最小值出现的地方,焊缝及其附近区域为不安全的区域位置。关键词:多道焊;焊接残余应力;疲劳;数值模拟哈尔滨下程大学硕十学位论文
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导师┳:/月学位论文原创性声明如年‘月/日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明作者┳:每作者┳:多Q沁月一日本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文僭谑谟柩缓蠹纯煽谠谑谟柩鲈潞解密后晒豕こ檀笱徒挥泄夭棵沤斜4妗⒒惚嗟取日期:口
第绪论选题背景焊接方法经济、灵活,能简化结构的构造细节,节约材料,提高生产效率并改善工人劳动条件,是当代制造业必不可少的工艺方法。在人们印象中,焊接技术取决于个人的技艺和经验。但是实际上,焊接科技工作者一直不断将各类基础理论的新成果引入到焊接过程的研究中,使得焊接工艺过程中的许多现象不仅可以从本质上进行理论解释,还可以进行定量分析、模拟和理论预测。然而,由于物理本质的复杂性,焊接过程模拟技术的发展一直比较缓慢,远远落后于实际生产需要和制造业其它领域仿真技术的发展。焊接是一个局部快速加热到高温,随后快速冷却的过程,涉及到电弧物理、传热、冶金和力学:焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。由于高度集中的瞬时热输入,在焊接过程中将产生很大的动态应力,焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形附硬杏啾湫巍⒑附邮账酢⒑附忧糖。焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力将影响构件的变形和焊接缺陷,而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此,在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一,焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大,无前瞻性,不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性的影响,不能客观评价焊接质量。而且大量的试验增加了生产成本,耗费人力物力,尤其是军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中,任何尝试和失败都将造成重大经济损失。意义。哈尔滨程大学硕宦畚
焊接数值模拟的国内外研究概况析成为可甜。在此基础上又进行了深入的研究,创建了“计算焊接力