本文選題：大型殼體結(jié)構(gòu) + 組合熱源模型�。� 參考：《北京交通大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：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)。然而焊接模擬的準確性受到焊接熱源模型準確性的影響,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)體和高斯面兩部分構(gòu)成,采用多項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、模擬準確性高特點,與傳統(tǒng)雙橢球、高斯體熱源模型相比,焊縫橫截面模擬準確度分別提高16.0%和19.0%,焊接變形模擬精度分別提高12.7%和1 5.9%。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現(xiàn)焊接拉應(yīng)力的釋放。該方法可實現(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,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)用價值。
[Abstract]:Large welded shell structures, such as steel lining of nuclear containment and ship shell, are easy to produce problems such as excessive welding deformation and excessive residual stress due to their large size and complex structure. These problems are urgent to be solved in the welding manufacture and construction of large shell structures. Welding simulation technology can predict welding deformation and residual stress and provide theoretical basis and guidance for welding deformation stress adjustment and control. However, the accuracy of welding simulation is affected by the accuracy of welding heat source model, which restricts the effective guidance of welding simulation technology. In this paper, a combined heat source model based on polynomial curve fitting for cross section profile of weld seam is proposed. The model consists of a rotating body and a Gao Si surface. The cross-section profile of the weld is fitted by polynomial curve and used as the boundary of the rotating body. The heat flux distribution function in the molten pool is established by applying the heat flux density to the body of the rotary body. The heat radiation relationship between arc and pool surface was established by Gao Si surface heat source model. The combined heat source model has the advantages of less solving parameters and high accuracy. Compared with the traditional double ellipsoid and Gao Si heat source model, the accuracy of weld cross-section simulation is increased by 16.0% and 19.0%, respectively, and the simulation accuracy of welding deformation is increased by 12.7% and 15.9%, respectively. The equivalent shell element model of butt welding is established according to the relationship between the contraction force and bending moment caused by inhomogeneous volume shrinkage in plastic strain region and the contraction force and bending moment of shell element model respectively. The model can solve the problem of non-convergence of thermo-mechanical coupling simulation caused by excessive number of elements in the model and large welding deformation. The maximum error between the simulated deformation of containment steel lining established by the equivalent shell element model and the test results is 21.3b. A method of controlling welding stress by parallel heating of Gao Si characteristic heat source is proposed. Using two Gao Si characteristic oxyacetylene flame as heat source, the welding tensile stress is released by plastic deformation of weld material by parallel heating of the base metal at a certain distance between the two ends of the weld toe. This method can realize the flexible control of welding stress of large shell structure. In addition, based on the combined heat source model and Gao Si characteristic heat source parallel heating control stress method, the effect of parallel heating process parameters on welding stress is studied, and the residual stress control process window of nuclear containment steel lining welded joint is established. The results of residual stress test show that the longitudinal residual tensile stress of weld surface decreases by 45.0 and the transverse residual stress decreases by 3.4after parallel heating treatment. According to the welding characteristics of large shell structures such as nuclear power and ships, the simulation and control methods of welding deformation and stress are studied in this paper. This study has important academic significance and engineering application value in promoting the application of welding simulation technology in welding of large shell structure and promoting the development of nuclear power technology in China.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG404

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本文編號：2118052