| 题名 | 焊接残余应力及其爆炸处理的数值模拟 |
| 作者 | 管建军 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-29 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 张劲松 |
| 关键词 | 温度场/应力场 焊接残余应力 爆炸消除应力处理 数值模拟 |
| 其他题名 | Numerical simulation of welding residual stress and its explosive treatment |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 焊接结构中普遍存在较高的焊接残余应力，其对焊接结构的安全可靠运行有着重要影响。因此研究焊接应力产生的规律及其控制或消除方法一直是焊接领域的研究热点。本文以数值模拟方法为主，对焊接残余应力产生有关的几个问题及爆炸消除应力工艺进行了研究。 本文首先对建立焊接温度场、应力应变场数值计算模型所涉及的理论基础、假设前提、相关概念，以及应用Ansys软件模拟所采用的方法进行了介绍和分析。在介绍爆轰波的C-J模型的基础上，对凝聚态炸药爆轰产物状态方程系数的拟合确定过程进行了推导和说明。介绍了钢板、空气的本构模型和状态方程，应用LS-DYNA软件模拟所采用的算法、沙漏问题的处理方式及时间步长的控制方法等。 为进一步认识爆炸处理对构件性能安全的影响，本文首次应用示波冲击试验机研究了单、双面爆炸处理后16Mn钢冲击性能的变化，从裂纹萌生功和扩展功两方面对冲击总功的变化进行了探讨，发现单面爆炸能改善韧性而双面爆炸却降低韧性。 控制薄板的焊接应力变形是一个难点。本文介绍并研究了一种新的焊接方法－跟踪加热焊接法，用随焊移动盖板限制瞬态应力产生的变形时，该方法焊接的薄板的焊接残余应力接近为零，翘曲变形也非常小。与常规焊相比，可以认为是无应力无变形焊接法。 为分析焊件横截面的应力、应变分布，常应用“平截面”假设。本文所做的数值模拟试验表明该假设与事实不符，并指出数值模拟后处理中根据初始坐标提取结果数据时，存在隐性的“平截面”假设前提。忽视该前提，可能会得到错误的结论。在本文的研究条件下，由于同一横截面上节点的相对纵向位移变化和前后相邻横截面上节点的物理量差异变化不同步，认为根据初始坐标提取任意时刻的结果可以用来表征该截面的状况。 本文提出存在加热和冷却过程时应该相对于自由热膨胀和自由热收缩来定义金属所承受的压缩应变和拉伸应变，而不能用相对于初始位置的实际应变的正负变化来表征。只有当任意两个相邻时刻金属的实际应变增量小于热应变的增量时金属受压缩，而当实际应变增量大于热应变的增量时金属受拉伸。本文认为焊件上各点应变的演化不仅仅由自身热应变决定，而且受比邻节点的影响和制约。焊接接头区域金属所承受的最大压缩应变的幅值超过其承受的最大热应变，完全冷却后最大拉伸应变也超过最大热应变。存在热作用时金属所承受的最大压缩应变、最大拉伸应变的代数和与残余总应变相等。发现超过母材屈服强度的残余拉应力区的宽度和最大实际压缩塑性应变超过0.2%区域的宽度相当，该区域残余实际压缩塑性应变约为0.2%。 本文根据板厚设计了8mm、16mm、32mm三种厚度的16Mn钢板的焊接工艺，应用Ansys软件模拟了试件的温度、应力的演变过程，得到了焊件的残余应力分布，为爆炸消除焊接应力工艺模拟打下了基础。根据埋弧焊的特点，采用双椭球热源来模拟其热输入，液固转变的热晗采用等效比热计算，以模拟金属熔化和凝固的吸热和放热过程。采用“生死”单元技术模拟焊缝单元的填充过程，使焊件的应力分布和变形与实际情况更为吻合。数值模拟计算结果表明所设计的焊接工艺参数是合理的，焊件的残余应力分布符合规律。 针对上述三种不同板厚的16Mn钢板，研究了爆炸工艺参数（主要是爆压）对焊接应力消除效果的影响。数值模拟试验表明：在爆轰波波阵面前方焊缝内部产生了先导膨胀波，由于其拉力较高，纵向残余拉应力得到彻底的释放，并且得到一定程度的拉伸，在爆轰波掠过前表现为压应力，炸药正下方的金属的爆炸处理状态处于“硬性爆炸条件”，而与炸药相隔较远的原始压应力区在爆炸处理后，应力值接近于0，其状态属于“中性爆炸条件”，更远的区域当属“软性爆炸区”；在“硬性爆炸区”若炸药爆压过高，则会在爆轰波掠过时产生过度压缩，使其应力反而向拉应力转化，同时爆压过高，也不利于结构的安全；爆压适当时，除表层金属外，内部单元的纵向应力都可为压应力；8mm和16mm钢板适合采用单面爆炸处理工艺，其理想的炸药的爆压分别为0.6GPa和1.5GPa，32mm厚钢板适合采用双面爆炸处理工艺，采用2GPa炸药同时爆炸工艺时效果很好，而2GPa炸药依次爆炸工艺的效果也很理想。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 141 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17018]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 管建军. 焊接残余应力及其爆炸处理的数值模拟[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008. |
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