船舶是一種大型水上移動(dòng)建筑,可以承擔(dān)載人、運(yùn)貨、生產(chǎn)、戰(zhàn)斗等任務(wù),對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)內(nèi)河縱橫、海岸綿延的國(guó)家,船舶工業(yè)的發(fā)展對(duì)改善人民生活和保障國(guó)家安全都有著極其重要的意義。船舶建造過程中,大量的金屬構(gòu)件通過連接形成結(jié)構(gòu)。熔化焊接由于具有生產(chǎn)效率高、接頭性能好、操作方便等特點(diǎn),已被作為船舶建造中最重要的連接方式。在熔焊過程中,材料經(jīng)歷了局部加熱和快速冷卻的熱循環(huán),不均勻的溫度場(chǎng)導(dǎo)致了焊接變形的產(chǎn)生。焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀形貌和力學(xué)性能都有不利影響,一旦發(fā)生過大的焊接變形,需要進(jìn)行額外的校正,當(dāng)焊接變形超出矯正范圍,焊接結(jié)構(gòu)將面臨報(bào)廢。因此,在船舶建造領(lǐng)域,如何預(yù)防和控制焊接變形是一項(xiàng)重要的研究課題。作為基礎(chǔ)研究,本文以通用有限元軟件ABAQUS為平臺(tái),開發(fā)了考慮材料非線性和幾何非線性的熱-彈-塑性有限元方法。利用所開發(fā)的計(jì)算方法,模擬了Q235鋼T型接頭的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形,并通過試驗(yàn)方法驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,討論了長(zhǎng)寬比對(duì)殘余應(yīng)力和焊接變形的影響。采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)手段相結(jié)合的方法研究了三種熱源模型(增強(qiáng)移動(dòng)熱源、分段瞬間熱源、全段瞬間熱源)對(duì)小型板架結(jié)構(gòu)焊接變形計(jì)算精度和計(jì)算效率的影響。利用全段瞬間熱源計(jì)算了大型板架結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和焊接變形,比較了殘余應(yīng)力的分布,分析了大型板架結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)的特征和原因,研究了熱輸入、焊接方式、外部約束對(duì)焊接面外變形的影響。研究結(jié)果表明:(1)對(duì)于3.5 mm厚的Q235鋼T型接頭而言,長(zhǎng)寬比對(duì)橫向殘余應(yīng)力有顯著影響,隨著長(zhǎng)寬比的增加,橫向殘余應(yīng)力明顯減小,而對(duì)縱向殘余應(yīng)力和面外變形影響不大。(2)對(duì)于3.5 mm厚的Q235鋼小型板架結(jié)構(gòu)而言,縱向殘余拉應(yīng)力主要分布在焊縫附近,而橫向殘余拉應(yīng)力主要分布在橫向焊縫附近。無論采用增強(qiáng)移動(dòng)熱源還是瞬間熱源(包括分段瞬間熱源和全段瞬間熱源),殘余應(yīng)力分布規(guī)律不變,其值略有不同。(3)分別采用三種熱源模型來計(jì)算小型板架結(jié)構(gòu)的焊接變形,模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的分布規(guī)律一致,增強(qiáng)移動(dòng)熱源模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合最好。分段瞬間熱源比增強(qiáng)移動(dòng)熱源計(jì)算效率高,全段瞬間熱源比分段瞬間熱源計(jì)算效率高。(4)Q235鋼薄板大型板架結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)開始于橫向腹板焊接時(shí),結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因是壓縮殘余應(yīng)力超過了失穩(wěn)極限。熱輸入對(duì)薄板大型板架結(jié)構(gòu)的焊接面外變形有很大的影響。當(dāng)熱輸入過大時(shí),結(jié)構(gòu)整體將發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)變形,適當(dāng)降低熱輸入可以有效防止結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)的發(fā)生,還可以明顯減小面外變形,在只有翼板發(fā)生局部波浪式失穩(wěn)變形時(shí),繼續(xù)降低熱輸入對(duì)焊接面外變形的減小作用不大。焊接方式對(duì)薄板大型板架結(jié)構(gòu)的焊接面外變形有明顯的影響,且雙邊焊引起的面外變形總比單邊焊大。外部約束可以明顯減小薄板大型板架結(jié)構(gòu)的焊接面外變形。對(duì)于要發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)變形的結(jié)構(gòu)而言,當(dāng)外部約束較少時(shí)(只約束1個(gè)點(diǎn)的Z向位移),約束釋放后結(jié)構(gòu)失穩(wěn),且失穩(wěn)模態(tài)不變;當(dāng)外部約束較多時(shí)(約束翼板4個(gè)邊緣的Z向位移),約束釋放后面外變形明顯減小,但結(jié)構(gòu)失穩(wěn),且失穩(wěn)模態(tài)發(fā)生了改變。上述研究成果可以為預(yù)測(cè)大型結(jié)構(gòu)焊接變形提供參考,也能為防止失穩(wěn)變形和減小焊接變形提供理論依據(jù)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U671.8
【部分圖文】：

產(chǎn)生橫向收縮變形的原因是垂直于焊縫方向上熔合區(qū)的冷卻收縮和熱影響塑性區(qū)的壓縮塑性應(yīng)變共同作用的效果。③撓曲變形撓曲變形是指焊接構(gòu)件焊后在沿著焊縫方向出現(xiàn)了撓曲，如圖 1.1c。撓曲變形是由于焊縫布置不對(duì)稱，結(jié)構(gòu)（或接頭）縱向收縮或橫向收縮不均勻?qū)е碌摹＂芙亲冃谓亲冃问侵负附訕?gòu)件焊后構(gòu)件平面繞著焊縫產(chǎn)生了角位移，如圖 1.1d。薄板焊接角變形一般由縱向收縮導(dǎo)致，厚板焊接角變形則由橫向收縮導(dǎo)致。⑤波浪變形波浪變形指的是焊接構(gòu)件焊后構(gòu)件平面呈凹凸不平的形狀，如圖 1.1e。在薄板焊接中，由于自身剛度較小，在大的熱輸入作用下，結(jié)構(gòu)易發(fā)生失穩(wěn)，焊后結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)波浪變形。⑥錯(cuò)邊變形在不同種類材料的焊接中，由于材料種類不同，其熱膨脹系數(shù)也不相同，在焊接熱的作用下，將會(huì)引起沿著焊縫方向或者垂直于焊縫方向的變形不一致現(xiàn)象，即發(fā)生了錯(cuò)邊變形，如圖 1.1f。⑦扭轉(zhuǎn)變形扭轉(zhuǎn)變形是指焊接結(jié)構(gòu)焊后出現(xiàn)了繞偏轉(zhuǎn)軸向不同方向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如圖1.1g。(a) 縱向收縮變形 (b) 橫向收縮變形

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文表 2.2 ER50-6 化學(xué)成分Table2.2 Chemical compositions of ER50-6學(xué)成分C Si Mn P S 分?jǐn)?shù)/ % 0.06-0.15 0.8-1.15 1.4-1.85 ≤0.025 ≤0.035 表 2.3 焊接工藝參數(shù)Table2.3 Welding conditions接工藝 焊接電流(A)電弧電壓(V)焊接速度(m藝參數(shù)159 19.5 10

焊接電流(A)電弧電壓(V)159 19.5 圖 2.1 T 型接頭尺寸和施焊順序示意圖Fig2.1 Schematic of size and welding sequence of T-join

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2813720