大型殼體結構焊接變形及殘余應力調控方法研究.pdf

1、核電安全殼鋼襯里、船舶外殼等大型焊接殼體結構，由于其體積龐大，結構復雜，易產(chǎn)生焊接變形超差和殘余應力過大等問題，這些問題是大型殼體結構焊接制造與施工過程中亟待解決的難題。焊接模擬技術可以預測焊接變形和殘余應力，可為焊接變形應力的調整與控制提供理論依據(jù)和指導。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的有效指導作用。
　　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。該模型由旋轉體和高斯面兩部分

2、構成，采用多項式曲線擬合焊縫橫截面輪廓并將其作為旋轉體邊界，對旋轉體內(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15.9％。
　　依據(jù)塑性應變區(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

3、關系，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果對比最大誤差為21.3％。
　　提出了高斯特性熱源平行加熱調控焊接應力方法。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)焊接拉應力的釋放。該方法可實現(xiàn)大型殼體結構焊接應力的靈活調控。
　　此外基于組合熱源模型

4、和高斯特性熱源平行加熱調控應力方法，開展了平行加熱工藝參數(shù)對焊接應力的影響研究，建立了核電安全殼鋼襯里焊接接頭的殘余應力調控工藝窗口。殘余應力測試結果表明，平行加熱處理后焊縫表面縱向殘余拉應力降低45.0％，橫向殘余應力降低3.4％。
　　本文針對核電、船舶等大型殼體結構焊接特點，開展了焊接變形及應力的模擬與調控方法研究。本研究對推動焊接模擬技術在大型殼體結構焊接中的推廣應用、促進我國核電技術的發(fā)展具有重要的學術意義和工程應用價值