發(fā)布時間：2019-12-05 15:19

【摘要】：振動時效是一種具有綠色環(huán)保、設(shè)備便攜、快捷高效等優(yōu)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力消除方法,具有廣泛的應(yīng)用前景。在振動時效處理后,伴隨著殘余應(yīng)力的降低,構(gòu)件的振動特性往往發(fā)生一定的變化。在國家標(biāo)準(zhǔn)和工程上通常以這一點(diǎn)為基礎(chǔ)定性地判斷振動時效是否產(chǎn)生效力。但是目前關(guān)于應(yīng)力與振動特性之間的關(guān)系的研究較少,因而基于這一關(guān)系進(jìn)行的判斷經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng),缺乏定量化的研究,存在很大的局限。本課題結(jié)合海洋結(jié)構(gòu)工程DH36低合金鋼焊接部件的振動時效研究,采用理論分析、試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法,研究了振動時效條件下焊接峰值殘余應(yīng)力降低幅度與構(gòu)件振動特性變化之間的關(guān)系,以期由此得出一個較為快捷和準(zhǔn)確地估計(jì)振動時效工藝有效性的方法,并針對不同的焊接結(jié)構(gòu)開展了相應(yīng)的應(yīng)用研究。對薄板矩形DH36低合金鋼焊接結(jié)構(gòu)件使用振動時效可以顯著地消除其殘余應(yīng)力。有無振動時效處理兩種情況下的焊接試樣整體力學(xué)性能沒有顯著改變,硬度和金相組織結(jié)構(gòu)也沒有顯著差別,由此排除了DH36低合金鋼焊接構(gòu)件振動時效前后造成振動特性變化的材料因素。借助有限元方法分析了簡支梁的振型和幅頻特性曲線的影響因素,主要包括激振點(diǎn)位置、支撐點(diǎn)位置,阻尼和應(yīng)力。在激振點(diǎn)和支撐位置給定的情況下,結(jié)構(gòu)的振幅同時受到阻尼和應(yīng)力的影響,固有頻率只受到應(yīng)力的影響,而與阻尼無關(guān)。因此提出采用固有頻率的變化作為評價振動時效效果的依據(jù)。建立了與雙向應(yīng)力相關(guān)的固有頻率函數(shù),其中包含有橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力對系統(tǒng)共振頻率的共同作用項(xiàng)。所得到的求解結(jié)果與有限元分析結(jié)果之間具有較好的一致性。建立了振動時效的“效力指數(shù)η”,通過這一指數(shù)建立了固有頻率的變化與殘余應(yīng)力峰值的變化之間的定量關(guān)系模型。η的值指示了焊接構(gòu)件在振動時效處理后的峰值應(yīng)力下降程度。采用有限元分析的方法計(jì)算了含有雙向拉應(yīng)力的對稱和非對稱二維結(jié)構(gòu)的固有頻率,幅頻特性曲線和振型。提出了相應(yīng)的“固有頻率曲面”和固有頻率函數(shù),這一函數(shù)包含了兩個方向上應(yīng)力的共同作用,對不經(jīng)過擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置上的應(yīng)力狀態(tài)預(yù)測也較為準(zhǔn)確,在高應(yīng)力狀態(tài)下的準(zhǔn)確性更好,具有較強(qiáng)的適用性。定義使構(gòu)件具有相同固有頻率的不同應(yīng)力狀態(tài)的集合為“固有頻率曲線”。振動時效前后,構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)落在不同的固有頻率曲線上。振動時效后固有頻率降低即表明了振動時效引起了至少一個方向殘余應(yīng)力的降低。當(dāng)固有頻率的變化較小時,兩個方向的應(yīng)力可能全部降低,也可能一個方向降低一個方向升高。當(dāng)固有頻率變化較大時,兩個方向的應(yīng)力都降低。定義振動時效后,能夠保證兩個方向的應(yīng)力均不升高的最小固有頻率為“臨界固有頻率”。固有頻率的變化能夠定性地指示兩個方向的殘余應(yīng)力是否發(fā)生降低,效力指數(shù)能夠定量化地指示殘余應(yīng)力降低的程度。對矩形DH36焊接構(gòu)件進(jìn)行振動時效實(shí)驗(yàn),結(jié)果與理論預(yù)測吻合較好。針對DH36材料的大尺寸海洋平臺用焊管進(jìn)行了振動時效和熱時效的對比,振動時效的效力指數(shù)為56.3%,實(shí)際測量的殘余應(yīng)力降幅約為50%,兩者符合較好。表明效力指數(shù)在實(shí)際工程中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值,而且這一指數(shù)不僅可應(yīng)用于平板結(jié)構(gòu),在其他形式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中也具有很好的指示效果。在殘余應(yīng)力降幅相似的情況下,振動時效的時間和能源成本僅為熱時效的十分之一甚至更低。通過分析試件的加熱對構(gòu)件固有頻率和振幅的影響,以及對材料屈服強(qiáng)度的影響,提出了熱振復(fù)合時效處理的方法。并在常規(guī)振動時效難以處理的大剛度DH36厚板焊接構(gòu)件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將焊縫附近區(qū)域加熱到150?C的條件下進(jìn)行振動時效。熱振復(fù)合振動時效后滿足對DH36鋼焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力降低幅度的要求。熱振復(fù)合振動時效方法擴(kuò)展了振動時效的適用范圍。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG404

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本文編號：2570051