大型殼體結(jié)構(gòu)焊接變形及殘余應(yīng)力調(diào)控方法研究.pdf

1、核電安全殼鋼襯里、船舶外殼等大型焊接殼體結(jié)構(gòu)，由于其體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生焊接變形超差和殘余應(yīng)力過大等問題，這些問題是大型殼體結(jié)構(gòu)焊接制造與施工過程中亟待解決的難題。焊接模擬技術(shù)可以預(yù)測焊接變形和殘余應(yīng)力，可為焊接變形應(yīng)力的調(diào)整與控制提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。然而焊接模擬的準(zhǔn)確性受到焊接熱源模型準(zhǔn)確性的影響，制約了焊接模擬技術(shù)的有效指導(dǎo)作用。
　　本文提出了基于多項(xiàng)式曲線擬合焊縫橫截面輪廓的組合熱源模型。該模型由旋轉(zhuǎn)體和高斯面兩部分

2、構(gòu)成，采用多項(xiàng)式曲線擬合焊縫橫截面輪廓并將其作為旋轉(zhuǎn)體邊界，對旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部施加熱流密度建立熔池內(nèi)部熱流分布函數(shù)，焊縫表面采用高斯面熱源模型建立電弧對熔池表面的熱輻射關(guān)系。組合熱源模型具有求解參數(shù)少、模擬準(zhǔn)確性高特點(diǎn)，與傳統(tǒng)雙橢球、高斯體熱源模型相比，焊縫橫截面模擬準(zhǔn)確度分別提高16.0％和19.0％，焊接變形模擬精度分別提高12.7％和15.9％。
　　依據(jù)塑性應(yīng)變區(qū)不均勻體積收縮引起的收縮力和彎矩與殼單元模型收縮力和彎矩分別相等的

3、關(guān)系，建立了對焊等效殼單元模型。該模型可解決體單元模型單元數(shù)量過大及焊接大變形導(dǎo)致的熱機(jī)耦合模擬不收斂問題，采用等效殼單元模型建立的安全殼鋼襯里模擬變形與試驗(yàn)測試結(jié)果對比最大誤差為21.3％。
　　提出了高斯特性熱源平行加熱調(diào)控焊接應(yīng)力方法。采用兩束高斯特性氧乙炔火焰作為熱源，平行加熱焊趾兩側(cè)一定距離部位的母材，通過焊縫材料的塑性變形實(shí)現(xiàn)焊接拉應(yīng)力的釋放。該方法可實(shí)現(xiàn)大型殼體結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力的靈活調(diào)控。
　　此外基于組合熱源模型

4、和高斯特性熱源平行加熱調(diào)控應(yīng)力方法，開展了平行加熱工藝參數(shù)對焊接應(yīng)力的影響研究，建立了核電安全殼鋼襯里焊接接頭的殘余應(yīng)力調(diào)控工藝窗口。殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，平行加熱處理后焊縫表面縱向殘余拉應(yīng)力降低45.0％，橫向殘余應(yīng)力降低3.4％。
　　本文針對核電、船舶等大型殼體結(jié)構(gòu)焊接特點(diǎn)，開展了焊接變形及應(yīng)力的模擬與調(diào)控方法研究。本研究對推動焊接模擬技術(shù)在大型殼體結(jié)構(gòu)焊接中的推廣應(yīng)用、促進(jìn)我國核電技術(shù)的發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值