考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

焊接残余应力对疲劳寿命影响的定量研究

在以往的研究中,残余应力对疲劳寿命的影响基本上均局限于定性分析,很少给出定量的研究结果。文章基于双参数统一方法,开展了锥柱结合壳处的残余应力对疲劳寿命的定量计算分析,给出了残余应力对疲劳寿命影响范围,并通过试样疲劳试验进行了验证。通过研究,可以看出残余应力没有改变裂纹的扩展趋势,但明显加快了裂纹扩展的过程,明显降低了耐压结构的疲劳寿命。     

焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是理论计算还是数值计算,均只考虑了球壳初始缺陷中的几何缺陷对球壳极限强度的影响。该文将在现有的耐压壳极限强度设计公式基础上,采用数值计算的方法对耐压球壳的焊接过程进行数值模拟,得到焊后球壳的焊接残余应力分布,并在此基础上考虑残余应力对球壳极限强度的影响,结果表明,对于大潜深厚球壳,焊接残余应力对耐压球壳承载能力影响不显著,为大深度潜器耐压球罐是否需做焊后消除残余应力处理提供了一定的参考依据。     

深海球壳表面裂纹应力强度因子影响研究

针对深海球形耐压壳的人员出入孔焊趾处的表面裂纹问题,本文建立了有限元模型并引入初始裂纹,考虑焊接残余应力沿壁厚线性分布的情况,采用M-积分法求解了在海水外压力和焊接残余应力共同作用下的应力强度因子。计算了不同尺寸裂纹下三种应力强度因子沿裂纹前缘的分布情况,发现人孔焊趾处裂纹主要表现为张开型(Ⅰ型)裂纹,相比于K_Ⅰ,K_(Ⅱ)和K_(Ⅲ)对裂纹的影响很小。分析了焊接残余应力和裂纹形状对应力强度因子的影响,讨论了同一深度半长比下表面裂纹K_Ⅰ最大值随裂纹深度变化和沿裂纹前缘K_Ⅰ的分布规律,结论可为进一步研究球形耐压壳的裂纹扩展及疲劳寿命预测提供一定的参考。     

海洋结构物疲劳裂纹扩展寿命的一种工程预报方法

海洋结构物疲劳寿命的准确预报对海洋结构安全具有重要意义。基于裂纹扩展的寿命预报相比于常规的基于累积损伤理论的寿命预报方法,能够考虑载荷次序、初始缺陷等重要因素的影响,各大船级社极力推进裂纹扩展理论在海洋工程中的应用。文章从裂纹扩展法则、应力强度因子求解、疲劳载荷谱模拟上对裂纹扩展理论的工程应用进行研究,试图找出准确、合理且相对简单的方法。结合裂纹扩展的单一曲线模型、基于有限元子模型技术的应力强度因子求法以及基于谱分析的疲劳载荷谱产生方法,对某半潜式钻井平台典型焊接节点进行基于裂纹扩展疲劳寿命预报,并讨论了初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明,该半潜平台焊接结构符合设计寿命的要求,初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响很大,可为海洋结构物基于裂纹扩展的疲劳寿命预报提供参考。     

潜艇锥柱结合壳焊趾表面裂纹疲劳寿命计算

随着潜艇用钢屈服强度的不断提高，潜艇耐压壳体的直径及锥壳的半锥角的不断加大，潜艇耐压壳体锥柱结合壳连接焊接焊趾处的疲劳寿命已越来越受到设计人员的重视，但目前还没有可靠的设计方法可以遵循。针对潜艇锥柱结合壳连接焊缝处的受力特点为压弯结合应力，在分析了平行于裂纹面的应力，曲率的约束以及液楔的作用对潜艇焊趾表面裂纹疲劳寿命的影响进行分析后认为，潜艇锥柱结合壳焊距表面裂纹疲劳寿命计算可以采用对压应力进行修正的应力强度因子计算模型。本文给出了对压应力进行修正的应力强度因子计算式，在此基础上提出了一套能考虑焊距的外应力集中以及爆接残余应力等影响的受压弯应力焊接结构焊趾裂纹疲劳寿命计算方法，对初始表面裂纹形状和大小对疲劳寿命的影响进行了系列计算，计算结果表明，本方法预报出的疲劳寿命与实验结果在量级上是吻合的，但在推向实用之前还需要做更多的实验验证。     

考虑实测初挠度、厚度和残余应力等缺陷的耐压球壳极限承载力分析

由于其优良的承压性能,球壳常被用作深海设备的耐压结构,而耐压球壳极限承载力计算是球壳结构设计过程中的重要环节。文章在非线性屈曲分析有限元法的基础上,提出了考虑实测初挠度、厚度和残余应力的极限承载力计算方法,并加工了直径1 000 mm的耐压球壳进行了试验验证。结果表明:经过冲压、焊接等工艺制造的球壳具有明显的初始缺陷,计算过程中必须考虑极限承载力;残余应力中影响极限承载力的主要因素是压应力成分;基于实测数据的非线性屈曲分析方法计算结果与试验值接近,且能够粗略预报结构破坏位置,具备一定的适用性。     

残余应力对水下耐压结构典型焊接接头疲劳强度的影响

水下耐压结构典型焊接接头模型常采用高强度钢建造,对焊接残余应力较为敏感,因此有必要针对残余应力对其疲劳强度的影响进行相关研究。采用ANSYS的APDL语言编程,通过数值模拟分析得到典型焊接接头的焊接残余应力;并基于局部应力—应变法,对水下耐压结构典型焊接接头考虑与不考虑残余应力这2种情况下结构的疲劳寿命进行数值分析。研究发现:典型焊接接头在凹锥面焊缝附近其残余应力最大,寿命最短;其寿命周期为104,属低周疲劳范围;随着外载荷的增加,疲劳寿命最小值也随之减小;残余应力的存在会明显降低典型焊接接头的疲劳寿命。     

新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

为保障我国深海载人潜水器耐压壳结构安全性,本文针对耐压壳用新型钛合金的疲劳特性开展了不同应力水平下疲劳裂纹扩展门槛值试验以及疲劳寿命试验研究;获得了新型钛合金材料在载荷比R=0.1下的门槛值以及不同应力水平下该材料的疲劳寿命值;并基于断裂力学方法,对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究,将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证预报方法的可行性和可靠性.     

深潜器多球交接耐压壳室温蠕变-疲劳特性研究

为了揭示钛合金深潜器多球交接耐压壳在实际作业过程中的蠕变-疲劳特性，通过定义的比例因子建立考虑蠕变损伤演化速率拉压不对称时的室温蠕变-疲劳损伤模型，通过对ABAQUS软件进行二次开发，基于蠕变-疲劳损伤模型和自动周期跳跃算法，建立了适用于深潜器多球交接耐压壳结构的蠕变-疲劳损伤数值模拟方法。数值分析结果显示，多球交接耐压壳结构的热点位置在承受拉伸载荷时，蠕变损伤对结构的蠕变-疲劳寿命影响显著，而承受压缩载荷时几乎不产生蠕变损伤；当作业水深增加时，蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的减少速度明显高于疲劳裂纹萌生寿命的减少速度；当处于相同水深时，保载时间增加会使结构的蠕变-疲劳裂纹萌生寿命减少，但耐压壳的实际可作业时间大幅提升。研究结果可为多球交接耐压壳蠕变-疲劳强度的计算提供参考。     

锥柱结构焊接残余应力及超声冲击消除的研究

随着高强钢潜艇锥柱结构的广泛应用,影响结构性能的焊接残余应力的测量和残余应力消除的技术备受关注。采用X射线衍射技术对高强钢潜艇锥柱结构内外壳的轴向焊接残余应力进行无损检测。内壳轴向残余应力的分布在焊缝两侧呈双峰形态,均为拉应力,而后随着与焊缝距离的增加,残余应力快速降低;而外壳轴向残余应力在锥端焊趾部分达到最大残余压应力值。还进行了超声冲击消除焊接残余应力前后的对比试验。试验结果表明,超声冲击处理对降低焊缝及近焊缝区的残余应力有很大的益处,残余拉应力经冲击处理后转变为对疲劳强度有利的较大幅值的压应力。     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

钛合金焊接残余应力值随时间重分布的数值分析

钛合金在室温、高应力条件下的存在明显蠕变现象,焊接钛合金板和壳体内含有较高的焊接残余应力.因此,在焊接残余应力的作用下,钛合金材料会发生蠕变,使结构内固有应变发生变化,从而导致残余应力重分布.本文忽略焊接工艺对材料蠕变特性的影响,采用数值计算方法对TC4钛合金薄板和薄壁球壳的焊接残余应力重分布现象进行了分析.     

热处理对800 MPa级钛合金对接焊平板残余应力影响的数值模拟

钛合金具有高强耐蚀、易焊等优质性能,广泛用于潜艇、深潜器等潜水器的受力构件及耐压耐蚀壳体。在焊接过程中,会不可避免的产生焊接残余应力,较大的焊接残余应力会影响焊接结构的安全性能,而焊后热处理能够有效减少焊接残余应力。本文首先采用数值模拟的方法对TC4对接焊平板热处理前后的残余应力进行计算,通过与试验结果进行对比研究,验证有限元数值模拟的合理性;然后采用该数值模拟方法研究Ti80对接焊平板多层多道焊的整个焊接过程以及焊后热处理方法。结果表明,焊后Ti80对接焊平板表面具有较大横向和纵向残余拉应力,通过热处理工艺后,残余拉应力得到明显降低。因此,通过焊后热处理方法可以在很大程度上降低对焊接结构力学性能可能产生的不利影响的残余拉应力。     

Research on numerical welding experiment of a thick spherical shell structure

In this paper, in order to predict the residual deformation of thick spherical structure, a welding program is compiled in APDL language based on Ansys and a numerical welding experiment of a welding example is carried out. The temperature field of welding was simulated firstly, then a thermal-structure coupling analysis was carried out, and at last the residual stress and deformation after welding were got. After that, the numerical experiment result was compared with physical experiment one. The comparative analysis shows that the numerical simulation fits well with physical experiment. On the basis of that, a three-dimensional numerical experiment of a thick spherical shell structure was carried out to get the changing rule of stress and deformation of a thick spherical shell structure during welding. The research is of great value to the prediction of residual deformation and high precision machining.     

基于焊接应力场的高强钢疲劳寿命研究

运用 ANSYS APDL 语言编程,对船用高强钢 T 型试件的焊接过程进行了模拟,得到了其焊接残余应力场的分布规律。以预应力的方式将其应力场施加到结构的疲劳寿命计算过程中,得到了结构在焊接残余应力影响下的疲劳寿命。并通过与实验数据进行对比,较为直观地反映焊接残余应力对疲劳寿命的影响。     

超大型集装箱船用超高强度钢EH47焊接残余应力模拟与实验研究

超高强度钢EH47广泛应用于超大型集装箱船舱口围板等区域结构中,建造过程中常常伴随着较大的焊接残余应力,直接影响到船体结构的安全及使用寿命。论文基于有限元分析软件ANSYS,对平板对接焊进行模拟,得到焊接残余应力的大小和分布,并采用盲孔法对焊缝区域进行残余应力测量。结果表明:残余应力在靠近焊缝中心及区域附近处表现为拉应力,随着逐渐往焊缝中心靠拢,拉应力迅速增大,当达到焊缝中心附近时拉应力达到最大值。随着逐渐远离焊缝中心,拉应力迅速减小,达到一定距离时转变为压应力,并在距离焊趾2.5 cm处达到压应力最大值,数值模拟结果与试验测量值基本吻合,同时焊后热处理能有效降低有损结构强度的焊接残余应力。     

焊接速度对AH36船用高强钢焊接残余应力及其释放的影响

焊接件由于焊接速度不同,焊接残余应力分布存在很大差异,焊接残余应力在循环载荷作用下会产生释放现象,焊接残余应力存在对于结构安全性和稳定性有很大影响,有必要开展焊接速度对于焊接残余应力及其释放影响研究。基于ABAQUS软件二次开发建立平板对接焊试件焊接残余应力以及释放有限元模型,利用顺序耦合热力学数值仿真计算三种焊接速度下的焊接残余应力分布,并开展三种焊接速度下初始焊接残余应力在三种拉伸循环载荷作用下的释放情况研究。     

超声冲击消除高强钢焊接残余应力的数值模拟研究

焊接残余应力会对结构的力学特性带来不利的影响,而超声冲击能较有效地消除大型焊接结构残余拉应力,起到大幅增加结构疲劳强度的作用。该文首先采用热弹塑性方法对超声冲击前的高强钢平板焊接残余应力进行分析,然后采用瞬态动力学方法对焊接残余应力的超声冲击消除进行三维仿真研究,最后对超声冲击前后残余应力的数值计算结果与试验结果进行对比分析研究。由分析结果可知:超声冲击前高强钢平板焊缝附近存在较大的残余拉应力,呈双峰分布;超声冲击后较大的残余拉应力转化为残余压应力;数值模拟结果与试验结果相一致。并且,平板厚度方向的应力经过超声冲击后表现为应力的均匀化。文中研究结果可为高强钢大型焊接结构超声冲击消除残余应力进行合理评估和后续进行相关力学特性研究提供理论基础和技术支撑。