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铸钢件非对称环形焊缝残余应力分析与断裂性能研究

【摘要】:圆截面钢管结构以其建筑美学和优异的力学性能在大型空间钢结构和桁架公路桥等工程中得到越来越广泛的应用。焊接的钢管相贯节点难以适应现代钢结构的发展,其复杂的连接形式和应力集中严重影响节点的可靠性和安全性。作为一种新型的连接形式,铸钢节点的应用可有效避免焊接节点处复杂的相贯线切割、节点区严重的应力集中和潜在的焊接缺陷;且结构形式简单、受力性能好、避免了复杂的焊缝形状。铸钢节点具有良好的适应性,可以按照实际需要设计成各种复杂形状,优化节点连接形式,改善节点连接区域应力分布,提高结构的安全可靠性。铸钢构件和主体结构之间的焊缝成为影响结构安全的关键区域。由于构件的制造与设计工艺不同,该处焊缝结构存在非对称的设计特点,即焊缝几何结构不连续性和焊接母材力学性能匹配性问题,而对接焊缝结构壁厚与母材力学性能的差异分别是焊缝几何结构不连续性和强度匹配性问题的重要内容。本课题从铸钢节点与圆截面钢管结构之间的非对称环形焊缝结构出发,以非对称焊缝结构为主要研究对象,对影响焊缝结构力学行为的焊缝几何结构、焊件母材力学性能和材料固态相变方面主要因素,焊缝结构断裂性能和焊接多场耦合数值技术展开了研究。论文以不同工程背景下的非对称焊缝结构为对象,分别对存在焊缝结构几何不连续性和材料力学性能匹配性问题的焊缝结构进行了探讨,致力于该类型焊缝残余应力特性与断裂性能和计算焊接力学数值技术的研究。论文主要研究内容和成果如下:1.改进了焊接数值分析理论中焊缝材料填充技术,基于二次开发技术实现移动焊接热源和焊缝材料填充过程的动态模拟,建立焊接数值分析模型,分析了不等厚板对接焊缝结构残余应力与焊接力学行为。在焊缝区设置低材料属性的“完全弹性单元”,参与变形计算,持有真实材料热力学属性的焊缝材料单元,随电弧的移动而实时激活参与焊接热力学分析,解决了经常出现的因电弧附近单元高温条件下畸变导致的计算中止问题。将建立的焊接数值模型应用于等厚与不等厚钢板对接焊缝结构焊接力学行为和残余应力分布特点的对比研究,对影响焊缝力学行为的几何不连续性问题进行探讨。研究表明,该类型焊缝的几何不对称性设计导致了焊接残余应力的不对称分布,从而改变了焊缝结构的力学特性,厚度越大,热影响区的残余应力越小。2.异种钢材环形对接的多层多道焊缝结构残余应力特点与焊接工艺技术研究。通过焊缝材料单元激活顺序的调整和相应电弧移动时空坐标的动态设置,实现异种钢多层多道焊缝结构和焊接工艺技术的数值模拟研究。结合异种钢材环形多道焊缝结构分析模型,揭示了异种材料环形焊缝结构焊接残余应力的分布特点及变化规律,结果表明,母材热力学性能的差异导致焊缝两侧残余应力呈非对称分布,在屈服强度较小的焊件一侧形成的焊接残余应力较小。焊接工艺研究表明,环形多道焊缝焊接顺序和焊接起止位置对该类型焊缝残余应力分布的影响明显,优化焊接工艺技术可有效控制焊接应力与变形;且拘束边界条件在焊接变形过程中会形成较大的拘束应力,其焊接应力的变化规律因材料性能的差异而不同。3.铸钢节点环形对接焊缝结构焊接残余应力形成与变化机理研究,揭示了铸钢件焊缝残余应力的分布特点与形成机制,从材料和焊缝结构两方面剖析了该焊缝结构特殊的力学行为与变化机理。铸钢构件和主体结构之间的焊缝结构受到几何结构不对称性和焊件母材力学性能匹配性问题的综合影响,尽管工程应用的铸钢材料屈服强度通常相对小于与之焊接的主体结构钢材,且铸钢管壁厚较大,但研究表明,由于不对称的焊缝几何结构设计,导致在其一侧形成较大的轴向残余应力和局部变形。该类型焊缝残余应力形成和变化特点明显异于普通的等壁厚焊缝结构,其焊缝力学行为特点受到焊缝几何结构和材料性能的综合影响,较普通焊缝更为复杂。通过多种焊缝结构焊接应力与变形分析,探讨了该焊缝几何结构对焊接力学行为的主导性影响机制,且研究表明,单面V型的焊缝槽口设计可有效减小热影响区的残余应力与影响范围。4.发展了焊接过程温度场、材料金相组织转变、焊接应力与变形的多场耦合分析技术,较全面的分析了焊接过程中主要现象之间的耦合作用关系。基于Koistinen-Marburger和Leblond相变动力学模型,以及反映材料相变规律的CCT图,通过二次开发技术,解决了焊接冶金现象中固态相变行为的预测和分析问题,并开发了焊接热力-金相-应力多场耦合分析程序。研究考虑了材料连续加热和冷却相变过程的相变动力学规律,以及相变潜热,相变塑性变形与体积膨胀方面的相变行为。基于S355J2型钢建立的分析模型研究表明,开发的分析模型可结合温度和实时冷却、加热条件对焊缝和热影响区材料的在焊接过程中冶金现象和相变类型进行相应的预测和计算,数值结果得到相关研究结论的验证。提出的分析技术避免了预设相变发生类型,且单纯依靠温度进行插值计算而忽略焊接冶金现象的时空效应,或不考虑相变过程分析模型的局限性,为焊接冶金现象和热应力与变形场的耦合分析提供了一种数值手段。5.铸钢构件环形对接焊缝结构断裂性能与残余应力场内表面裂纹扩展行为研究。研究分析了该类型不对称焊缝结构内壁表面裂纹应力强度因子的变化规律和残余应力场条件下内表面裂纹的扩展行为。研究表明,不对称的焊缝几何结构设计和承受载荷变形特点导致其抗断裂能力要低于普通的等壁厚焊缝结构,焊根及邻近区域形成的残余拉应力场和不对称的焊缝结构力学行为共同加剧了内壁焊根附近表面裂纹的扩展,且裂纹主要从内壁向外壁,沿壁厚方向和环向扩展,但沿内壁环形扩展更为明显,该类型不对称焊缝几何结构的力学行为和残余应力特点导致其承载能力降低。

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