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。     

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。     

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。     

T形焊接接头残余应力与变形的三维数值模拟

焊接残余应力和变形是个长期困扰船舶行业的难题。本文介绍了预测焊接残余应力和变形的基本数值理论,用MSC.Marc有限元分析软件对T形接头的焊接过程进行了实时三维数值模拟,并对焊接温度场、残余应力分布以及角变形计算结果进行了分析说明。     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子.利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系.就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径.但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则.作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线.     

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。     

Residual stresses at a longitudinal stiffener — Web frame intersection and their effects on crack growth

Stress coining at geometrical discontinuities may introduce compressive residual stresses which will lower the propagation of surface cracks and thus increase the fatigue life. In a non-linear finite element analysis, the residual stresses after welding of a transverse web-frame to a ship hull plating is first estimated. Stress coining of one corner of a longitudinal cut-out in a transverse web-frame is then simulated in detail. The calculated residual compressive tangential stresses in the corner of the cut-out is seen to lower the propagation of edge cracks. Experiments performed on web-frames taken from a shipyard after manufacturing show indeed that large tensile residual stresses exist in the web-frame after welding. Stress coining is therefore believed to have a beneficial effect on the fatigue life.     

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。     

自升式平台桩腿焊接变形和应力控制技术研究

自升式平台的桩腿由多段大厚度高强钢圆筒拼接而成,需要大量的多层多道焊工艺,导致复杂的焊接变形与残余应力,是桩腿加工精度和安全性检验中需要格外关注的问题。焊接变形、应力与焊接工艺参数和工艺措施有关,因此本文选取了四项对焊接变形、应力有重要影响的工艺参数：预热温度,保温缓冷措施,焊接速度和约束条件,通过热弹塑性有限元计算,分析这四项工艺参数对圆筒圆度、应力极值的影响,并基于对焊接变形与应力的综合控制,提出了工艺优化建议。     

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。     

盲孔法测量921A钢焊接残余应力的应变释放系数研究

根据盲孔法测量残余应力的基本原理和孔边塑性变形修正方法，分别对盲孔法测量921A钢焊接残余应力时的应变释放系数A、B进行实验标定，通过试验得出了921A钢盲孔孔边塑性变形对测量精度的影响和盲孔法测量921A钢焊接残余应力的塑性修正公式；并对实验标定应变释放系数与通孔应变释放系数理论解进行比较，表明试验结果与通孔应变释放系数理论值有较好的一致性，测量结果经塑性修正，最大误差减小到2．5％以下，试验结果可以直接在盲孔法测量921A钢焊接残余应力工程实际中应用。     

钻孔法检测残余应力技术中有关参数的数值计算分析

通过建立有限元数值模型,分别模拟了钻孔前后两种不同状态下应力应变分布情况。经比较计算出钻孔后的梁底混凝土表面轴线上各节点的轴向应变,并结合相关理论,计算出钻孔前梁底中心节点应力的理论值,从而找出与梁底中心节点实际施加应力的吻合点。根据节点理论值与实际施加应力的吻合情况,结合应变测量机理,最终确定最佳孔径、孔深和最佳粘贴应变片位置等参数。     

Residual stress measurement in an extra thick multi-pass weld using initial stress integrated inherent strain method

Residual stresses existing in a multi-pass butt joint with a thickness of 70 mm, using a flux-cored arc welding process, were measured by an inherent strain method (ISM). Since such a thick plate before welding contains a large amount of initial residual stresses (−300 to +100 MPa), the initial stresses were integrated with conventional ISM in order to determine the total residual stresses in a welded joint. Two methods named as initial stress integrated ISM and initial inherent strain integrated ISM were suggested for the consideration of the initial stress distributions through the thickness of base plates. The results show that there is a significant difference between the integrated ISM with initial stresses or initial inherent strain and the conventional ISM without initial stresses. The residual stresses measured by any of the initial stress integrated ISM and initial inherent strain integrated ISM agreed well with the neutron diffraction measurement. Thus, the proposed initial stress integrated ISM is a proper destructive measurement method in the case of thick weld joints.     

超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟

超声冲击处理(UIT)是一种有效的焊后改善焊接接头疲劳性能的工艺措施,其借助机械撞击和超声振动的共同作用,使焊趾表面产生塑性变形从而引入有益的压缩残余应力。为评价UIT技术对焊接接头残余应力的影响,该文提出了一套新的数值分析方法,包括焊接数值模拟及随后的超声冲击处理过程的动态弹塑性有限元分析。在有限元模型中考虑了实际的工艺参数和超声促成的材料软化效应。以船用高强钢AH36非承载十字焊接接头为研究对象,将预测的超声冲击处理前后的残余应力分布与实验结果进行对比,两者有较好的吻合。在此基础上,探讨了静态预载荷对超声冲击处理态残余应力再分布的影响。     

半潜式钻井船典型节点疲劳可靠性分析

由于半潜式钻井船结构及其受力条件复杂,该文用SESAM软件对某钻井船进行了整体三维有限元计算,得到特定浪向和相位下结构的最大应力幅响应.以整体有限元计算结果作为载荷边界条件,用NASTRAN软件对钻井船上的一些典型管节点进行了局部有限元分析,得到节点的热点应力.在此基础上根据DNV和CCS规范对节点疲劳寿命进行了计算并对几个危险节点进行了可靠性分析和裂纹扩展寿命计算.     

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.     

基于切口应力强度理论的横向角接焊接接头的疲劳强度评估

在焊接接头处,由于几何的不连续造成了局部的应力集中,对其疲劳强度评估的研究是十分必要的。文章提出采用奇异强度（as）来计算接头处的几何应力,并基于N-SIF方法分析了不同几何尺寸下十字接头的疲劳强度。结果表明该修正公式可以十分简便地评估出焊接接头处的疲劳强度。     

船用5083铝合金随焊滚压工艺的有限元计算

船用5083铝合金在焊接过程中较易出现热裂纹，主要原因是在脆性温度区间存在较大的收缩内应力。为此，对随焊滚压工艺进行研究，采用有限元分析软件MSC.Marc进行焊接工艺模拟，综合考虑焊接热源模型、材料性能和滚压等边界条件，建立船用5083铝合金工件的随焊滚压有限元模型，对比船用5083铝合金薄板在普通焊接工艺及随焊滚压工艺下的焊后残余应力。计算结果表明，在随焊滚压工艺下选择合适的轮枪距及压下量可有效降低焊后残余应力。     

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。     

Welding-induced residual stresses and distortions of butt-welded corroded and intact plates

The welding-induced residual stresses and distortions of butt-welds between non-corroded and corroded steel plates are studied experimentally and numerically, simulating a repair in an aged structure. Butt welds are made between plates with different corrosion levels and intact ones, and temperature distributions and distortions have been measured. Finite element analyses of the butt-welded corroded and non-corroded plates are performed to estimate the welding-induced distortions and residual stresses for different levels of corrosion degradation. The environmental conditions during the welding repair process are also accounted for. Experimentally evaluated mechanical properties of corroded steel plates as a function of the temperature during the welding process are employed in non-linear finite element analyses. The importance of the material properties as a function of the severity of the steel plates' corrosion degradation on the welding-induced distortions and residual stresses is also quantified. This study shows the importance of considering the ageing of steel in the repair process. The developed methodology allows critical operational decisions to be made with greater ease and confidence in analysing the welding-induced distortions and residual stresses when ageing structures are repaired to extend their service life. Furthermore, different welding sequence scenarios may be analysed to identify the most appropriate repair solution in minimising the repair cost.