發(fā)布時間：2020-07-22 23:04

【摘要】：燃料貯箱是火箭箭體的重要組成部分,焊接工藝是其零部件連接的主要技術手段。貯箱焊后幾何精度直接影響火箭制造質量及其服役性能。新一代大型火箭貯箱由于尺寸的增大,造成結構剛度顯著下降,焊接夾具松開后結構翹曲變形更加明顯,嚴重影響制造精度。貯箱薄壁結構剛度的下降加劇幾何非線性影響,同時熱力耦合作用下材料力學參數非均勻變化,這兩方面因素造成超大薄壁結構焊接變形難以精確預測;焊接過程涉及材料、工藝與微觀組織等眾多參數,結構內部溫度及應力場演化過程難以準確描述,導致焊接變形的有效控制存在困難。因此,研究超大薄壁結構焊接變形精確預測方法,揭示焊接變形產生機理并進行變形控制具有十分重要的意義。針對貯箱薄壁結構焊接過程,提出一種超大薄壁結構焊接變形精確預測方法,相對于固有應變法,提高焊接變形預測精度。以攪拌摩擦焊接工藝為對象,建立夾具卸載前焊接應力理論模型,研究焊縫區(qū)域的應力梯度演化特性,揭示薄壁結構焊接變形形成機理。基于焊接應力理論模型,建立非均勻應力下超大薄壁結構焊接失穩(wěn)理論模型,提高焊接失穩(wěn)臨界載荷預測精度。最后,運用提出的超大薄壁結構焊接變形預測方法,進行火箭貯箱整體結構焊接變形預測,采用優(yōu)選的焊接工藝參數,提高貯箱焊后幾何精度。主要研究工作如下:(1)超大薄壁結構非線性焊接變形精確預測方法根據結構剛度劃分焊縫區(qū)域以考慮焊接“邊緣效應”,同時引入非焊接區(qū)的彈性約束,采用有限變形理論對薄壁結構局部焊縫區(qū)域的焊接過程進行數值計算,依據焊縫區(qū)域三維應力分布特征,將應力張量映射到整體結構,綜合考慮焊接塑性變形引起的材料彈性模量變化,提出超大薄壁結構局部到整體的三維應力映射方法。以攪拌摩擦焊接為對象,研究薄壁結構焊接變形特性,并實驗驗證了其精確性。與固有應變法比較,該方法可以提高超大型薄壁結構焊接變形預測精度。(2)攪拌摩擦焊接作用下薄壁結構焊接變形機理研究針對攪拌摩擦焊接工藝,推導焊接過程軸對稱分布的溫度場函數,根據焊縫區(qū)域內結構平衡條件和屈服準則,求解焊接過程中的周向和徑向應力,考慮冷卻過程的收縮作用,建立夾具卸載前結構內部焊接應力理論模型,預測結果能夠有效反映焊接應力“M”型分布特征。從理論上分析工藝參數對焊接應力演化規(guī)律的影響,研究不同工藝參數下薄壁結構厚度方向上的焊接應力梯度分布,建立其與攪拌摩擦焊接變形之間的關聯關系,揭示薄壁結構焊接變形的產生機理。(3)非均勻焊接應力下結構失穩(wěn)臨界條件理論模型基于卸載前焊接應力理論模型,定量研究了應力分布規(guī)律,考慮焊接應力非均勻分布特點,采用能量法建立大型薄壁結構焊接失穩(wěn)臨界條件理論模型,以切比雪夫多項式構建不同邊界條件下結構失穩(wěn)的撓度函數,求解薄壁結構直焊縫和環(huán)焊縫焊接失穩(wěn)臨界載荷。研究不同幾何尺寸和工藝參數下薄壁結構焊接失穩(wěn)臨界條件的變化規(guī)律,為焊接工藝參數優(yōu)化和超大薄壁結構焊接失穩(wěn)變形控制提供指導。(4)火箭貯箱整體焊接變形預測與分析針對火箭貯箱的三種典型焊縫結構,建立其整體結構的焊接變形計算流程,基于提出的三維應力映射方法進行貯箱整體的焊接變形預測,并與現場制造過程實測數據進行對比,驗證了新方法預測焊接變形的有效性。根據貯箱結構焊接變形機理和失穩(wěn)臨界條件的分析,優(yōu)選結構焊接工藝參數,進行貯箱整體焊接變形預測與分析,為合理選取焊接工藝參數,減小貯箱超大薄壁結構焊接變形奠定了基礎。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V46
【圖文】：

高[1,2]。燃料貯箱是運載火箭箭體結構的重要部件，如圖的制造要求下，新一代運載火箭大型貯箱的制造難度顯了更高的要求[3,4]。隨著貯箱尺寸的不斷增大，結構剛度過程中易出現尺寸超差問題，火箭貯箱作為空間封閉結形極易在終端集聚，影響整體結構的綜合制造質量。因大型貯箱的制造技術研究具有重要意義。是貯箱制造過程中的主要連接技術，焊接過程導致的結造精度[5]。因此貯箱結構焊接變形的準確預測具有重要結構的焊接變形控制，降低產品的不合格率，提高生產剛度的下降加劇幾何非線性對結構變形的影響，熱力耦非均勻變化，也會增加超大薄壁結構焊接變形準確預測部溫度及應力場演化過程難以準確描述，致使焊接變形大薄壁結構焊接變形預測存在明顯的局限，制造過程式保證焊接結構的尺寸精度，導致貯箱制造質量穩(wěn)定性

合理選取焊接工藝參數，提高貯箱整體焊后幾何精度。主要內容的邏輯關系如圖1-3 所示。圖 1-3 論文組織框架Fig. 1-3 The framework of this dissertation

對試樣進行拉伸實驗獲得材料的應力應變曲線，實驗設備為 Instron-5966 型拉伸實驗機。首先將焊縫試樣和母材試樣拉伸至斷裂，獲得的加載過程中的應力應變曲線，如圖2-6 所示。由圖可知，母材在彈性階段的應力應變曲線較為平滑，而焊縫試樣在彈性階段波動明顯。不同位置處焊縫試樣的應力應變曲線如圖 2-7所示，不同厚度上的試樣拉伸曲線存在明顯的差別。為了獲得準確的彈性模量測量值，采用多項式擬合材料彈性階段的真應力應變曲線，將擬合函數外推至函數零點，求取該位置的斜率作為材料的彈性模量測量值[140]。加載至斷裂的試樣彈性模量結果列于表 2-1 中，焊縫區(qū)試樣的彈性模量略高于母材，在逐漸遠離上表層的過程中，試樣 1 到試樣 3 的彈性模量呈現下降趨勢。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李國偉;韓永全;陳芙蓉;李陽;;7075鋁合金變極性等離子弧焊接頭組織與性能[J];焊接學報;2015年10期

2 葉銳;楊繼東;彭小燕;徐國富;尹志民;;Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金攪拌摩擦焊接接頭的顯微組織、力學性能及局部腐蝕性能[J];中國有色金屬學報;2015年10期

3 秦國華;林鋒;左敦穩(wěn);;基于材料非均勻性鋁厚板預拉伸殘余應力的預測方法[J];中國有色金屬學報;2015年03期

4 孫世p

本文編號：2766490