【摘要】：圓截面鋼管結(jié)構(gòu)以其建筑美學(xué)和優(yōu)異的力學(xué)性能在大型空間鋼結(jié)構(gòu)和桁架公路橋等工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。焊接的鋼管相貫節(jié)點(diǎn)難以適應(yīng)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展,其復(fù)雜的連接形式和應(yīng)力集中嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)的可靠性和安全性。作為一種新型的連接形式,鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用可有效避免焊接節(jié)點(diǎn)處復(fù)雜的相貫線切割、節(jié)點(diǎn)區(qū)嚴(yán)重的應(yīng)力集中和潛在的焊接缺陷;且結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、受力性能好、避免了復(fù)雜的焊縫形狀。鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的適應(yīng)性,可以按照實(shí)際需要設(shè)計(jì)成各種復(fù)雜形狀,優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接形式,改善節(jié)點(diǎn)連接區(qū)域應(yīng)力分布,提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。鑄鋼構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)之間的焊縫成為影響結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵區(qū)域。由于構(gòu)件的制造與設(shè)計(jì)工藝不同,該處焊縫結(jié)構(gòu)存在非對(duì)稱的設(shè)計(jì)特點(diǎn),即焊縫幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和焊接母材力學(xué)性能匹配性問(wèn)題,而對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)壁厚與母材力學(xué)性能的差異分別是焊縫幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)性和強(qiáng)度匹配性問(wèn)題的重要內(nèi)容。本課題從鑄鋼節(jié)點(diǎn)與圓截面鋼管結(jié)構(gòu)之間的非對(duì)稱環(huán)形焊縫結(jié)構(gòu)出發(fā),以非對(duì)稱焊縫結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象,對(duì)影響焊縫結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的焊縫幾何結(jié)構(gòu)、焊件母材力學(xué)性能和材料固態(tài)相變方面主要因素,焊縫結(jié)構(gòu)斷裂性能和焊接多場(chǎng)耦合數(shù)值技術(shù)展開(kāi)了研究。論文以不同工程背景下的非對(duì)稱焊縫結(jié)構(gòu)為對(duì)象,分別對(duì)存在焊縫結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)性和材料力學(xué)性能匹配性問(wèn)題的焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討,致力于該類型焊縫殘余應(yīng)力特性與斷裂性能和計(jì)算焊接力學(xué)數(shù)值技術(shù)的研究。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1.改進(jìn)了焊接數(shù)值分析理論中焊縫材料填充技術(shù),基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)焊接熱源和焊縫材料填充過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬,建立焊接數(shù)值分析模型,分析了不等厚板對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與焊接力學(xué)行為。在焊縫區(qū)設(shè)置低材料屬性的“完全彈性單元”,參與變形計(jì)算,持有真實(shí)材料熱力學(xué)屬性的焊縫材料單元,隨電弧的移動(dòng)而實(shí)時(shí)激活參與焊接熱力學(xué)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(dǎo)致的計(jì)算中止問(wèn)題。將建立的焊接數(shù)值模型應(yīng)用于等厚與不等厚鋼板對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)焊接力學(xué)行為和殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)的對(duì)比研究,對(duì)影響焊縫力學(xué)行為的幾何不連續(xù)性問(wèn)題進(jìn)行探討。研究表明,該類型焊縫的幾何不對(duì)稱性設(shè)計(jì)導(dǎo)致了焊接殘余應(yīng)力的不對(duì)稱分布,從而改變了焊縫結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,厚度越大,熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力越小。2.異種鋼材環(huán)形對(duì)接的多層多道焊縫結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力特點(diǎn)與焊接工藝技術(shù)研究。通過(guò)焊縫材料單元激活順序的調(diào)整和相應(yīng)電弧移動(dòng)時(shí)空坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)異種鋼多層多道焊縫結(jié)構(gòu)和焊接工藝技術(shù)的數(shù)值模擬研究。結(jié)合異種鋼材環(huán)形多道焊縫結(jié)構(gòu)分析模型,揭示了異種材料環(huán)形焊縫結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)及變化規(guī)律,結(jié)果表明,母材熱力學(xué)性能的差異導(dǎo)致焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力呈非對(duì)稱分布,在屈服強(qiáng)度較小的焊件一側(cè)形成的焊接殘余應(yīng)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(duì)該類型焊縫殘余應(yīng)力分布的影響明顯,優(yōu)化焊接工藝技術(shù)可有效控制焊接應(yīng)力與變形;且拘束邊界條件在焊接變形過(guò)程中會(huì)形成較大的拘束應(yīng)力,其焊接應(yīng)力的變化規(guī)律因材料性能的差異而不同。3.鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力形成與變化機(jī)理研究,揭示了鑄鋼件焊縫殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)與形成機(jī)制,從材料和焊縫結(jié)構(gòu)兩方面剖析了該焊縫結(jié)構(gòu)特殊的力學(xué)行為與變化機(jī)理。鑄鋼構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)之間的焊縫結(jié)構(gòu)受到幾何結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性和焊件母材力學(xué)性能匹配性問(wèn)題的綜合影響,盡管工程應(yīng)用的鑄鋼材料屈服強(qiáng)度通常相對(duì)小于與之焊接的主體結(jié)構(gòu)鋼材,且鑄鋼管壁厚較大,但研究表明,由于不對(duì)稱的焊縫幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),導(dǎo)致在其一側(cè)形成較大的軸向殘余應(yīng)力和局部變形。該類型焊縫殘余應(yīng)力形成和變化特點(diǎn)明顯異于普通的等壁厚焊縫結(jié)構(gòu),其焊縫力學(xué)行為特點(diǎn)受到焊縫幾何結(jié)構(gòu)和材料性能的綜合影響,較普通焊縫更為復(fù)雜。通過(guò)多種焊縫結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力與變形分析,探討了該焊縫幾何結(jié)構(gòu)對(duì)焊接力學(xué)行為的主導(dǎo)性影響機(jī)制,且研究表明,單面V型的焊縫槽口設(shè)計(jì)可有效減小熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力與影響范圍。4.發(fā)展了焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、材料金相組織轉(zhuǎn)變、焊接應(yīng)力與變形的多場(chǎng)耦合分析技術(shù),較全面的分析了焊接過(guò)程中主要現(xiàn)象之間的耦合作用關(guān)系�；贙oistinen-Marburger和Leblond相變動(dòng)力學(xué)模型,以及反映材料相變規(guī)律的CCT圖,通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù),解決了焊接冶金現(xiàn)象中固態(tài)相變行為的預(yù)測(cè)和分析問(wèn)題,并開(kāi)發(fā)了焊接熱力-金相-應(yīng)力多場(chǎng)耦合分析程序。研究考慮了材料連續(xù)加熱和冷卻相變過(guò)程的相變動(dòng)力學(xué)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(kāi)發(fā)的分析模型可結(jié)合溫度和實(shí)時(shí)冷卻、加熱條件對(duì)焊縫和熱影響區(qū)材料的在焊接過(guò)程中冶金現(xiàn)象和相變類型進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)和計(jì)算,數(shù)值結(jié)果得到相關(guān)研究結(jié)論的驗(yàn)證。提出的分析技術(shù)避免了預(yù)設(shè)相變發(fā)生類型,且單純依靠溫度進(jìn)行插值計(jì)算而忽略焊接冶金現(xiàn)象的時(shí)空效應(yīng),或不考慮相變過(guò)程分析模型的局限性,為焊接冶金現(xiàn)象和熱應(yīng)力與變形場(chǎng)的耦合分析提供了一種數(shù)值手段。5.鑄鋼構(gòu)件環(huán)形對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)斷裂性能與殘余應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)表面裂紋擴(kuò)展行為研究。研究分析了該類型不對(duì)稱焊縫結(jié)構(gòu)內(nèi)壁表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律和殘余應(yīng)力場(chǎng)條件下內(nèi)表面裂紋的擴(kuò)展行為。研究表明,不對(duì)稱的焊縫幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承受載荷變形特點(diǎn)導(dǎo)致其抗斷裂能力要低于普通的等壁厚焊縫結(jié)構(gòu),焊根及鄰近區(qū)域形成的殘余拉應(yīng)力場(chǎng)和不對(duì)稱的焊縫結(jié)構(gòu)力學(xué)行為共同加劇了內(nèi)壁焊根附近表面裂紋的擴(kuò)展,且裂紋主要從內(nèi)壁向外壁,沿壁厚方向和環(huán)向擴(kuò)展,但沿內(nèi)壁環(huán)形擴(kuò)展更為明顯,該類型不對(duì)稱焊縫幾何結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和殘余應(yīng)力特點(diǎn)導(dǎo)致其承載能力降低。
【圖文】：

東南大學(xué)博士學(xué)位論文與傳統(tǒng)鋼管結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)相比，鑄鋼節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的連接取消了復(fù)雜的相貫線切割，提建筑設(shè)計(jì)審美要求，可以有效避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)域；焊縫形狀可以選擇更加簡(jiǎn)潔的圓環(huán)形式簡(jiǎn)單、受力性能好、避免了復(fù)雜的焊縫形狀，減少了潛在焊接缺陷的形成，降低了焊應(yīng)力。相對(duì)于傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)形式，鑄鋼節(jié)點(diǎn)大大提高了結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。此外，鑄鋼具有良好的適應(yīng)性，，可以按照實(shí)際需要制造成各種復(fù)雜形狀，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接形式，改善連接區(qū)域應(yīng)力分布，提高結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

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

【參考文獻(xiàn)】

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

2 董海威;鑄鋼節(jié)點(diǎn)的抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];東南大學(xué);2015年

3 陳志鋼;鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫疲勞性能分析[D];天津大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2710669