考虑残余应力效应的深潜器耐压壳体疲劳研究

本文考虑焊接残余应力的影响,给出包含裂纹萌生和裂纹扩展全过程的载人深潜器耐压球壳疲劳寿命预报方法,分别基于局部应力-应变法和能计及负应力比效应的裂纹扩展单一曲线模型预报了耐压球壳的工艺疲劳寿命和使用疲劳寿命,研究焊接残余应力大小对球壳疲劳寿命的影响。结果表明,忽略拉伸残余应力的影响将导致疲劳寿命预测结果偏于危险;耐压球壳整体受压时,拉伸残余应力使得球壳局部区域承受拉-压循环载荷,计算使用疲劳寿命过程中须考虑其影响;降低拉伸残余应力可有效提高耐压球壳的疲劳寿命。     

钛合金Ti-6Al-4V ELI厚板多层多道焊试验与数值模拟

对2块厚度为24mm的Ti-6Al-4VELI厚板进行夹角为171.98°的多层TIG焊接试验,基于SYSWELD软件平台,在焊板两端完全刚性固定的装夹条件下数值模拟计算焊接温度场、应力场和焊接引起的变形.计算结果表明,焊接温度场的变化规律符合实际,焊缝区的拉伸残余应力最大,热影响区的压缩残余应力较大.焊接数值模拟得到的残余应力场与试验测量值能较好地吻合,验证了数值模拟模型的准确性.该数值模拟方法可应用到大深度Ti-6Al-4VELI载人舱强度计算中的焊缝残余应力模拟中.     

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.     

基于固有应变法的环肋圆柱壳焊接残余应力数值分析

环肋圆柱壳是水下装备的主要承压部件,通常采用高强钢进行建造,对焊接残余应力等缺陷较敏感.为了得到不同肋骨布置方式下的焊接残余应力分布情况,首先采用试验和数值模拟的方法研究了高强钢焊接试板残余应力分布情况,验证了固有应变近似公式的适用性;然后,基于固有应变法针对内置、外置T型肋骨的圆柱壳的焊接残余应力进行数值分析,结果表明:两者壳板径向变形与实测资料较为一致,内置肋骨时,跨中壳板内凹,反之外凸;残余应力主要分布于焊缝部位,跨中壳板呈现压应力,内置肋骨的压应力要略大一些.     

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。     

交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为

对于承受交变载荷的焊接构件,焊接残余应力的存在对于结构的疲劳寿命影响巨大。由于焊接残余应力形成机理的复杂性,当交变载荷作用时,焊接残余应力的松弛演变具有不确定性,导致该领域的研究难度相当大。迄今为止,鲜有文献就交变载荷下的厚板焊接残余应力松弛行为进行深入报道。采用低周疲劳试验,利用X射线残余应力测试仪,对试件表面焊接残余应力的松弛演变行为进行追踪研究,通过在试件表面近焊缝区布置网状测点,采集测点的横向及纵向焊接残余应力进行数据拟合,在试验对比修正的基础上,最终建立焊接残余应力的松弛演变模型。结果表明：在交变载荷作用下,焊接残余应力会发生松弛,并且,应力松弛量的大小与交变载荷的特征值大小紧密相关。     

焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射影响研究

文章重点研究了焊接残余应力对环肋圆柱壳水下声辐射的影响。通过运用热弹塑性有限元法数值模拟环肋圆柱壳对接焊接过程,得到厚板环形焊缝的三维残余应力场和应变场,然后对含有残余应力的环肋圆柱壳动力特性进行研究,并运用有限元法和边界元法分析了低频激励下其水下声辐射的特点。研究结果表明焊接残余应力对环肋圆柱壳声辐射有较明显的影响,不仅使声辐射功率曲线和外场声压曲线向低频移动,而且使在大部分激励频率上含有焊接残余应力结构的声辐射功率和外场声压均大于无焊接残余应力结构。     

高强钢焊接结构残余热应力的有限元分析

焊接残余应力的大小是衡量焊接质量的一项重要指标.为了得到高强钢焊接结构焊接残余应力的大小与分布规律,基于大型通用有限元软件ANSYS,利用其参数化语言开发了相应的焊接程序,首先对高强钢平板对接焊进行数值模拟,然后与试验结果进行比较,在计算所得结果与试验测量值相一致的基础上,进而模拟高强钢锥柱结合壳的焊接过程,得到相应的焊接残余应力分布规律.     

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。     

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。     

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。     

锥柱耐压壳典型焊接接头残余应力研究

高强度钢材料对焊接残余应力非常敏感,显著影响了高强度钢锥柱耐压壳结构的安全可靠性及使用寿命,有必要针对这类壳体典型焊接接头的残余应力进行分析研究。本文首先基于有限元软件ANSYS的参数化语言APDL开发相应的焊接模拟程序,对高强度钢锥柱耐压壳典型焊接接头模型的焊接过程进行数值模拟,得到其焊接残余应力的应力水平及分布规律;然后采用X射线无损检测方法测量焊缝区域的残余应力。结果显示：焊缝附近区域存在较大焊接残余应力,其值随着与焊缝中心线距离的增加而迅速降低,数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

典型结构焊接温度和残余变形研究

选取典型对接结构和角接结构进行焊接试验,并进行热弹塑性仿真计算,研究测点的焊接温度和残余变形规律.结果表明,测点经历了加热-峰值-冷却过程.对接结构的焊接角变形较小,横向收缩变形较大;角接结构的焊接角变形相对较大,横向收缩变形相对较小.     

大型核电厚壁结构X射线衍射法残余应力测试

采用X射线衍射法（ XRD）对大型核电厚壁结构堆芯板端面、堆芯板与吊篮筒体环焊缝焊前焊后残余应力进行无损测量。研究堆芯板端面、环焊缝焊前焊后残余应力的分布情况及变化规律。结果表明：堆芯板焊前残余应力主要是机加工应力,且焊接过程对其残余应力影响不大;1＃和2＃堆芯板环焊缝轴向残余应力分布趋势明显,呈现焊缝为压应力,母材为拉应力;测试的环向应力在各区域分布不一致;焊接对远离焊缝区域的应力没有影响,远离焊缝区域呈现较大的加工应力。     

船体结构腐蚀凹坑焊补修复技术研究

针对船体结构腐蚀凹坑修复问题,利用热-力耦合弹塑性数值计算技术,研究了焊补修复方法,对较大面积和深度坡口的厚壳体凹坑多道焊接过程进行模拟计算,掌握壳体凹坑修复过程中温度场和应力场分布规律,得到最佳工艺参数,并利用试验进行验证.结果表明,采用数值计算方法可较准确预测焊接的温度场和变形以及厚板结构的残余应力,为工艺参数的制定提供重要依据.     

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。     

2205双相不锈钢焊接应力与变形的SVM回归预测研究

针对川东造船厂特种船舶制造使用的2205双相不锈钢,在其焊接试验的基础上分别建立了双相不锈钢焊接应力和收缩变形的支持向量机(SVM)回归预测模型,并与传统的逐步回归方法进行比较,较好地模拟了焊接残余应力和变形与板厚、焊接电流、电弧电压、焊接速度等工艺参数之间的非线性关系.计算结果表明,SVM回归比传统的逐步回归在预测精度和泛化能力上都有很大的提高.     

弹塑性固有应变法在厚壁球面舱壁结构焊接中的应用

针对热弹塑性有限元法仅适用小规模焊接的弊端,采用弹塑性固有应变法对厚壁球面舱壁结构的焊接工艺进行模拟,并对球面舱壁结构的焊接工艺进行优化,最终给出球面舱壁结构合理的焊接工艺.在大型有限元软件ANSYS的基础上,通过开发的热弹塑性焊接计算程序得到单道焊缝焊接时的残余应变;通过残余应变等效,对球面舱壁的各焊缝处施加温度载荷;通过一次弹塑性有限元法得到厚壁球面舱壁结构的整体变形.通过开展不同焊接工艺下球面舱壁结构的焊接变形分析,给出厚壁球面舱壁结构合理的焊接工艺.     

低周疲劳载荷下考虑累积塑性的船舶裂纹板剩余极限强度研究

研究表明在恶劣海洋环境中船体结构整体断裂破坏往往是低周疲劳破坏和累积塑性破坏的耦合结果。考虑这两者耦合作用的影响,评估船体结构的极限承载力更为实际。基于累积塑性和低周疲劳裂纹扩展,从理论上分析了平面内低周疲劳载荷下裂纹板的残余极限强度。经过一系列数值模拟,首先讨论低周疲劳裂纹扩展行为的影响,然后随着疲劳裂纹扩展的发展,主要讨论了初始变形,焊接残余应力,裂纹扩展长度,裂纹分布和裂纹板厚度对低周疲劳载荷下船体裂纹板极限强度的影响。     

船体分段钢结构焊接过程仿真

通过有限元与神经网络相结合的方法，模拟了船体上层建筑、舷侧分段钢结构典型部位的焊接过程，并对其温度场、位移场进行了仿真，分析了组焊工序、焊接工艺参数对上述分段钢结构焊接变形的影响。研究结果表明，采用有限元与人工神经网络相结合方法，可以快速分析、预测船舶钢结构的焊接变形，且仿真结果与实焊数值能较好吻合。并分析出影响船体分段钢结构焊接变形的主要因素是钢板拼焊后产生的残余应力，增加消除焊接应力工序，可以明显降低船体分段钢结构焊后产生的变形量。