【摘要】：圓截面鋼管結構以其建筑美學和優(yōu)異的力學性能在大型空間鋼結構和桁架公路橋等工程中得到越來越廣泛的應用。焊接的鋼管相貫節(jié)點難以適應現(xiàn)代鋼結構的發(fā)展,其復雜的連接形式和應力集中嚴重影響節(jié)點的可靠性和安全性。作為一種新型的連接形式,鑄鋼節(jié)點的應用可有效避免焊接節(jié)點處復雜的相貫線切割、節(jié)點區(qū)嚴重的應力集中和潛在的焊接缺陷;且結構形式簡單、受力性能好、避免了復雜的焊縫形狀。鑄鋼節(jié)點具有良好的適應性,可以按照實際需要設計成各種復雜形狀,優(yōu)化節(jié)點連接形式,改善節(jié)點連接區(qū)域應力分布,提高結構的安全可靠性。鑄鋼構件和主體結構之間的焊縫成為影響結構安全的關鍵區(qū)域。由于構件的制造與設計工藝不同,該處焊縫結構存在非對稱的設計特點,即焊縫幾何結構不連續(xù)性和焊接母材力學性能匹配性問題,而對接焊縫結構壁厚與母材力學性能的差異分別是焊縫幾何結構不連續(xù)性和強度匹配性問題的重要內容。本課題從鑄鋼節(jié)點與圓截面鋼管結構之間的非對稱環(huán)形焊縫結構出發(fā),以非對稱焊縫結構為主要研究對象,對影響焊縫結構力學行為的焊縫幾何結構、焊件母材力學性能和材料固態(tài)相變方面主要因素,焊縫結構斷裂性能和焊接多場耦合數(shù)值技術展開了研究。論文以不同工程背景下的非對稱焊縫結構為對象,分別對存在焊縫結構幾何不連續(xù)性和材料力學性能匹配性問題的焊縫結構進行了探討,致力于該類型焊縫殘余應力特性與斷裂性能和計算焊接力學數(shù)值技術的研究。論文主要研究內容和成果如下:1.改進了焊接數(shù)值分析理論中焊縫材料填充技術,基于二次開發(fā)技術實現(xiàn)移動焊接熱源和焊縫材料填充過程的動態(tài)模擬,建立焊接數(shù)值分析模型,分析了不等厚板對接焊縫結構殘余應力與焊接力學行為。在焊縫區(qū)設置低材料屬性的“完全彈性單元”,參與變形計算,持有真實材料熱力學屬性的焊縫材料單元,隨電弧的移動而實時激活參與焊接熱力學分析,解決了經(jīng)常出現(xiàn)的因電弧附近單元高溫條件下畸變導致的計算中止問題。將建立的焊接數(shù)值模型應用于等厚與不等厚鋼板對接焊縫結構焊接力學行為和殘余應力分布特點的對比研究,對影響焊縫力學行為的幾何不連續(xù)性問題進行探討。研究表明,該類型焊縫的幾何不對稱性設計導致了焊接殘余應力的不對稱分布,從而改變了焊縫結構的力學特性,厚度越大,熱影響區(qū)的殘余應力越小。2.異種鋼材環(huán)形對接的多層多道焊縫結構殘余應力特點與焊接工藝技術研究。通過焊縫材料單元激活順序的調整和相應電弧移動時空坐標的動態(tài)設置,實現(xiàn)異種鋼多層多道焊縫結構和焊接工藝技術的數(shù)值模擬研究。結合異種鋼材環(huán)形多道焊縫結構分析模型,揭示了異種材料環(huán)形焊縫結構焊接殘余應力的分布特點及變化規(guī)律,結果表明,母材熱力學性能的差異導致焊縫兩側殘余應力呈非對稱分布,在屈服強度較小的焊件一側形成的焊接殘余應力較小。焊接工藝研究表明,環(huán)形多道焊縫焊接順序和焊接起止位置對該類型焊縫殘余應力分布的影響明顯,優(yōu)化焊接工藝技術可有效控制焊接應力與變形;且拘束邊界條件在焊接變形過程中會形成較大的拘束應力,其焊接應力的變化規(guī)律因材料性能的差異而不同。3.鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫結構焊接殘余應力形成與變化機理研究,揭示了鑄鋼件焊縫殘余應力的分布特點與形成機制,從材料和焊縫結構兩方面剖析了該焊縫結構特殊的力學行為與變化機理。鑄鋼構件和主體結構之間的焊縫結構受到幾何結構不對稱性和焊件母材力學性能匹配性問題的綜合影響,盡管工程應用的鑄鋼材料屈服強度通常相對小于與之焊接的主體結構鋼材,且鑄鋼管壁厚較大,但研究表明,由于不對稱的焊縫幾何結構設計,導致在其一側形成較大的軸向殘余應力和局部變形。該類型焊縫殘余應力形成和變化特點明顯異于普通的等壁厚焊縫結構,其焊縫力學行為特點受到焊縫幾何結構和材料性能的綜合影響,較普通焊縫更為復雜。通過多種焊縫結構焊接應力與變形分析,探討了該焊縫幾何結構對焊接力學行為的主導性影響機制,且研究表明,單面V型的焊縫槽口設計可有效減小熱影響區(qū)的殘余應力與影響范圍。4.發(fā)展了焊接過程溫度場、材料金相組織轉變、焊接應力與變形的多場耦合分析技術,較全面的分析了焊接過程中主要現(xiàn)象之間的耦合作用關系�；贙oistinen-Marburger和Leblond相變動力學模型,以及反映材料相變規(guī)律的CCT圖,通過二次開發(fā)技術,解決了焊接冶金現(xiàn)象中固態(tài)相變行為的預測和分析問題,并開發(fā)了焊接熱力-金相-應力多場耦合分析程序。研究考慮了材料連續(xù)加熱和冷卻相變過程的相變動力學規(guī)律,以及相變潛熱,相變塑性變形與體積膨脹方面的相變行為�；赟355J2型鋼建立的分析模型研究表明,開發(fā)的分析模型可結合溫度和實時冷卻、加熱條件對焊縫和熱影響區(qū)材料的在焊接過程中冶金現(xiàn)象和相變類型進行相應的預測和計算,數(shù)值結果得到相關研究結論的驗證。提出的分析技術避免了預設相變發(fā)生類型,且單純依靠溫度進行插值計算而忽略焊接冶金現(xiàn)象的時空效應,或不考慮相變過程分析模型的局限性,為焊接冶金現(xiàn)象和熱應力與變形場的耦合分析提供了一種數(shù)值手段。5.鑄鋼構件環(huán)形對接焊縫結構斷裂性能與殘余應力場內表面裂紋擴展行為研究。研究分析了該類型不對稱焊縫結構內壁表面裂紋應力強度因子的變化規(guī)律和殘余應力場條件下內表面裂紋的擴展行為。研究表明,不對稱的焊縫幾何結構設計和承受載荷變形特點導致其抗斷裂能力要低于普通的等壁厚焊縫結構,焊根及鄰近區(qū)域形成的殘余拉應力場和不對稱的焊縫結構力學行為共同加劇了內壁焊根附近表面裂紋的擴展,且裂紋主要從內壁向外壁,沿壁厚方向和環(huán)向擴展,但沿內壁環(huán)形擴展更為明顯,該類型不對稱焊縫幾何結構的力學行為和殘余應力特點導致其承載能力降低。
【圖文】：

東南大學博士學位論文與傳統(tǒng)鋼管結構焊接節(jié)點相比，鑄鋼節(jié)點與結構的連接取消了復雜的相貫線切割，提建筑設計審美要求，可以有效避開應力集中區(qū)域；焊縫形狀可以選擇更加簡潔的圓環(huán)形式簡單、受力性能好、避免了復雜的焊縫形狀，減少了潛在焊接缺陷的形成，降低了焊應力。相對于傳統(tǒng)焊接節(jié)點形式，鑄鋼節(jié)點大大提高了結構的抗疲勞性能。此外，鑄鋼具有良好的適應性，，可以按照實際需要制造成各種復雜形狀，優(yōu)化節(jié)點連接形式，改善連接區(qū)域應力分布，提高結構的安全可靠性。

及矯正變形等造成材質方面的影響亦是焊縫強度設荷載去除之后仍然存在于構件內部的平衡力系，其塑性變形。根據(jù)其產(chǎn)生原因可分為機械產(chǎn)生的殘余產(chǎn)生的殘余應力。亦可分為外部原因和內部原因，和溫度場；內在原因是物體內部各組成部分的濃度理、力學性能等[23]。生原因的不同可分為體積應力和結構應力。體積應用導致不均勻的彈塑性變形所致。而結構應力卻是因所形成。在體積應力中，由于熱作用而導致材料力稱之為彈塑性熱應力，其分布和變化規(guī)律受溫度引起的殘余應力為相變應力[23]。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O346.1;TG457.11

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 孫朝陽;方剛;雷麗萍;曾攀;;溫度和相變影響的彈塑性本構關系及應用[J];材料熱處理學報;2008年01期

相關碩士學位論文 前3條

1 蔡建鵬;異種鋼焊接接頭殘余應力和變形的數(shù)值模擬[D];重慶大學;2015年

2 董海威;鑄鋼節(jié)點的抗疲勞優(yōu)化設計[D];東南大學;2015年

3 陳志鋼;鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫疲勞性能分析[D];天津大學;2012年

本文編號：2710669