厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析

船体外板结构多采用多层多道焊工艺建造,焊接产生的残余应力复杂,易导致焊接结构断裂和疲劳失效.本文采用轮廓法与基于并行计算技术的热-弹-塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程,预测结果与测量结果吻合较好.预测结果表明,纵向残余应力在焊缝区为拉应力,沿接头宽度方向逐渐减小最终转变为压应力,正面焊缝中部区域拉应力值明显降低;横向残余应力在焊缝区上表面及背面填充处为拉应力,沿接头宽度方向逐渐降低,在正面焊缝中部区域为压应力;Z向残余应力主要存在于焊缝区,正面焊缝以压应力为主,背面焊缝以拉应力为主.厚板多层多道焊接过程中,残余应力变化是由于后一道焊缝对已焊的焊缝起到热处理作用导致的,焊缝接头残余应力分布由最后一道焊缝决定.     

考虑固相变的钛合金焊接残余应力数值仿真方法

钛合金焊接结构广泛应用于深海耐压结构中，对焊接处残余应力分布规律的研究具有现实意义。本文采用JMAK方程和K-M方程来表达钛合金相变过程中的扩散转变和非扩散转变，建立Ti-6Al-4V焊接过程中固态相变的数学模型，确定数学模型中的参数求解方法，并基于ABAQUS软件开发考虑固态相变的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法，该方法可以考虑温度与组织变化对焊接残余应力的影响。通过一个对接接头的激光焊接的有限元算例，验证所建立的固态相变的Ti-6Al-4V焊接模型的可行性。该工作对于定量分析Ti-6Al-4V焊接残余应力的影响因素具有参考意义。     

板材焊缝间隙差异对温度场及应力场的影响

针对国内外船体板材对接焊焊接工序中,对于焊缝间隙的差异引起的温度场、残余应力以及板材横向收缩量的研究规律问题,利用焊接专用软件Sysweld,对船体板材在不同焊缝间隙下对接焊焊接过程进行数值模拟仿真,分析得到随着焊缝间隙的增大,焊接过程中的最高温度,焊接冷却后板材的残余应力以及横向收缩量都是增大的,为实现焊接过程中变形量的精度控制等提供了前提条件。     

船用铝合金MIG焊接残余应力数值研究

为了提高焊接接头性能,优化焊接工艺参数,本文在热弹塑性力学理论基础上,建立5052铝合金平板对接的焊接残余应力三维数值计算模型,开展MIG焊接对残余应力分布影响特征分析。结果显示,焊接接头处较大的纵向铝合金焊接残余应力,是由于冷却过程中焊缝纵向收缩导致的。纵向残余应力在靠近焊缝中心线位置以拉应力为主,在焊缝中心熔合线及热影响区域的两侧对称分布,随着距离焊缝线逐渐增大,以纵向残余压应力为主。在焊缝中心线处等效Mises应力达到最大值,且向两侧逐渐递减,热影响区以外区域残余应力数值极小,可以忽略。最后为了验证模拟结果的准确性,使用超声无损检测对焊接接头残余应力的大小及方向进行验证,结果与数值模拟结果基本一致且相同区域内焊接残余应力分布情况相同。     

固定热源长度对T型接头焊接变形及残余应力精确预测的影响

用固定热源预测焊接结构的变形与残余应力,相比移动热源可有效地提升计算效率,但热源长度对计算精度的影响少有讨论。对此,以Q235钢T型焊接接头为研究对象,分别采用X射线法和三坐标测量仪测量接头的残余应力和焊接变形。基于热-弹-塑性有限元分析,采用不同分段长度的固定热源模拟电弧焊过程,获得接头的温度场、应力场和焊接变形,并通过和移动热源模拟结果及试验数据进行比较,验证了固定热源的可行性。最后,讨论了固定热源长度对焊接变形与残余应力计算精度的影响。结果表明,采用移动热源与固定热源模拟焊接热输入均可精准预测中厚板接头的焊接变形,而采用固定热源需合理划定分段长度。当固定热源长度更接近移动热源的瞬态熔池长度时,所预测的变形数值更准确。固定热源长度的缩短,引起描述热源作用所需时间的延长和接头“几何端部效应”加剧,焊缝处纵向残余应力的预测精度降低,对横向残余应力的影响较小。     

工艺参数对平板对接焊温度场及残余应力的影响

焊接变形和残余应力对集装箱船的建造质量有着重要影响，通过优化焊接工艺可以有效提高其结构的焊接质量。为选择合理的焊接工艺参数，文章基于ANSYS软件，建立了船舶平板对接焊的有限元分析模型，采用高斯热源模型，对接头的温度场及应力变形进行了数值模拟，并将焊接电流、焊接速度和板厚对平板对接焊残余应力场及变形的影响规律进行了分析和总结，对实际生产中集装箱船结构焊接质量的控制具有一定的参考价值。     

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.     

不同焊接顺序下加筋板变形及残余应力的三维有限元研究

针对焊接过程的二维有限元计算与实际情况存在一定差别的问题,使用三维热弹-塑性有限元法对不同焊接顺序下加筋板焊接过程进行了仿真,获得了加筋板焊接引起的温度场、位移场和应力场。结果表明：在4点约束条件下,加筋板横截面的变形为中垂变形,纵筋的变形为中拱变形,方案1横截面变形更小,方案2纵筋变形更小。焊接引起的加筋板残余应力主要表现为横向应力,其在近焊缝区为拉应力,达到材料屈服强度,远离焊缝区表现为压应力,达到0.2倍材料屈服强度。加强筋横向应力峰值出现在起弧端和收弧端,约为0.85倍材料屈服强度,纵向应力峰值出现在焊接起弧端,约为0.3倍材料屈服强度。在加筋板横截面位置,焊接顺序主要影响加强筋处的残余应力;在加强筋位置,焊接顺序主要影响纵向应力。每组焊缝同时同向焊接,且每根纵筋从左向右依次焊接的焊接方案产生更小的残余应力。     

对接焊残余应力的有限元分析

针对应用有限元方法进行焊接残余应力数值预报时模拟普遍存在的三维模拟过程复杂、计算时间冗长、计算费用较高的问题,通过引入焊接热循环过程的加热和冷却时间比,提出了以线热源代替点热源的简化数值预报方法,使三维问题简化为二维问题进行数值模拟,大大节省了计算时间.数值计算结果表明:文中提出的焊接残余应力的数值预报方法能满足焊接力学分析的精度要求,节省了大量的计算时间,可以应用于工程实际.     

壳体对接焊工艺的数字仿真研究

利用ANSYS软件,对圆柱壳体圆周对接焊进行数字仿真分析.仿真过程采用双椭球体热源模拟焊接电弧,利用生死单元模拟焊料填充过程,真实再现了实际的焊接过程.通过数值计算总结了壳体圆周焊的焊接温度场、残余应力场和焊接变形的规律,探讨了焊接工艺以及结构尺寸对焊接残余应力及变形的影响,同时通过与实验测量值的比较,验证了仿真分析的可靠性.采用的数值仿真方法及提出的优化焊接工艺可为工程实际提供参考,具有理论和实用价值.     

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.     

钛合金载人舱模型球的外压压溃分析

在深海载人舱设计前,一般会通过缩比模型球的压力试验来考核材料和结构的性能,以便进一步优化结构的设计.本文结合Ti-6Al-4V ELI材料的模型球压溃后的断口分析和有限元仿真分析,对球壳的失效状态进行了说明.分析结果显示,局部屈服首先发生在球壳孔座附近,然后沿着焊缝的径向发生塌陷、撕裂,直至整个北半球发生破坏.仿真分析结果可以为载人舱球壳进一步的动态分析和冲击分析提供参考.     

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。     

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。     

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。     

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.     

全海深载人舱备选材料TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式的试验研究

全海深载人潜水器正在研制中,其载人舱材料的合理选择是保证潜水器在严峻环境中使用安全的重要因素。高强度钛合金TB19是全海深载人舱的备选材料之一,材料在使用过程中将承受高应力水平下的蠕变疲劳载荷的作用。文章对TB19的低周保载疲劳寿命和破坏模式进行了试验研究,并与已应用于在役载人舱的Ti-6Al-4V ELI材料的性能进行了对比。该研究结果可为后续全海深载人舱的选材和载人舱初步设计提供指导。     

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。