残余应力对舰船纵骨.doc
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残余应力对舰船纵骨,摘要随着造船技术的发展，分段建造，总段合拢的造船模式已经成为主流模式。为充分发挥这一造船模式的效率和优势，总段合拢的方式从原来的“阶梯式”开始向“一刀齐”方式转变。对于不同的合拢方式的采用，必然会造成焊接残余应力分布和焊接变形的变化，由此带来了各种变化对结构强度的影响问题。因此，开展不同对接工艺下残余应力对船体结构强度...
内容介绍
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摘 要
随着造船技术的发展，分段建造，总段合拢的造船模式已经成为主流模式。为充分发挥这一造船模式的效率和优势，总段合拢的方式从原来的“阶梯式”开始向“一刀齐”方式转变。对于不同的合拢方式的采用，必然会造成焊接残余应力分布和焊接变形的变化，由此带来了各种变化对结构强度的影响问题。因此，开展不同对接工艺下残余应力对船体结构强度的影响研究对后续研究和这种合拢工艺的推广具有十分重要的工程意义。
本文利用有限元数值仿真的方法，结合试验，对船体典型结构加筋板焊接残余应力场、在拉伸载荷作用下残余应力的变化以及对极限承载能力的影响展开研究。主要研究工作及结论如下：
（1）针对典型薄板对接焊接残余应力的分布进行了试验研究，得出薄板在典型焊接工艺下的残余应力分布规律；并利用ANSYS有限元分析软件对薄板对接焊的残余应力分布进行了数值模拟，数值模拟得出的结果与试验值进行对比验证，为后续的研究提供方法与参考。
（2）对船体中的典型结构加筋板的对接焊接过程进行数值模拟，得出外板和骨材采用同一截面焊缝布置和不同截面布置工艺下的焊接残余应力分布情况，并对比分析了采用不同工艺参数条件下的残余应力分布。
（3）将数值模拟得到的焊接残余应力作为预应力施加到有限元模型上，并以此为基础进行典型船体纵向构件在焊接残余应力影响下的极限承载能力的计算，并与试验值进行了对比分析，得出了“一刀齐”对接工艺下残余应力对船体典型结构极限强度的影响程度。
关键词：船舶建造；对接焊缝；焊接残余应力；极限强度
Abstract
The ship modularization mode with segmentation and block assembly is gradually becoming popular while the technology of ship building was developed. In order to exert the efficiency and advantages of this construction mode, the block section butts of prefabricated sections are gradually applied the “in-plane welded connection” instead of “step joint”. There are not enough analysis and the strength calculation of welding structures, particularly analysis on the impact of disfigurement on welding butts and seams.After studying former research, this paper studies the welding residual stress of the T-joint using experimentation and finite element numerical simulation method. This study is valuable in impaction of welding structure with residual stress
In this paper, the residual stresses of the T-joint hull structures were predicted with Finite Element Method (FEM) and tests. Then the changing patterns of the residual stresses and its effect on ultimate strength were studied. The main contents are as follows:
1, The welding residual stresses of the plates joint were obtained with the welding procedures developed by APDL of ANSYS, meanwhile, it were measured with a drilling method testing. It offers the method and parameter to study the residual stresses of the T-joint structures.
2, Making some numerical simulation of welding on T-joint, that with different welding butts, analyzing temperature field and welding stress field, obtaining welding residual stress’s distributing rule.
3, Ultimate strength checking of T-welded structure, which has the residual stress, comparing the result of ultimate strength with these both cases and experimentation.
Key words: ship building, welding seam, welding residual stress, ultimate strength
目录
摘要 I
目录 I
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2焊接残余应力概念及其对结构性能的影响 2
1.2.1焊接残余应力产生机理 2
1.2.2影响焊接残余应力的主要因素 3
1.2.3残余应力的影响 3
1.3焊接残余应力数值模拟 4
1.4本文主要研究内容 5
第二章 焊接过程有限元分析理论 7
2.1焊接有限元分析特点及简化 7
2.1.1 焊接过程有限元分析特点 7
2.1.2 焊接过程有限元分析简化 7
2.2焊接温度场有限元分析理论 9
2.2.1焊接传热基本定律 9
2.2.2焊接热分析基本方程 10
2.2.3焊接温度场的求解理论 11
2.2.4焊接热源 12
2.3焊接应力场有限元分析理论 14
2.3.1焊接模拟的计算准则 15
2.3.2应力应变关系 17
2.3.3平衡方程 17
2.3.4焊接应力场有限元求解方程 18
2.3.5提高计算精度和稳定性的途径 18
2.4 基于ANSYS软件的焊接过程数值模拟 19
2.5 本章小结 20
第三章 焊接残余应力分布数值模拟及试验研究 21
3.1残余应力数值模拟 21
3.1.1基本假设 21
3.1.2有限元模型建立 21
3.1.3材料热物理性能参数的确定 22
3.1.4焊接热源的选取 22
3.1.5边界条件 23
3.2数值模拟计算结果 23
3.3焊接残余应力测量的试验研究 24
3.3.1残余应力试验测量方法及原理 24
3.3.2试验焊件及工艺流程 26
3.3.3残余应力测量方案 26
3.4数值模拟结果与试验值比较 28
3.5本章小结 30
第四章 典型纵骨对接过程数值模拟分析 33
4.1纵骨对接焊接残余应力计算 33
4.1.1研究对象 33
4.1.2有限元模型及网格划分 34
4.1.3材料属性定义 35
4.1.4焊接工艺参数选取 36
4.1.5数值模拟边界条件 37
4.2典型纵骨不同截面对接工艺数值模拟 37
4.2.1焊接温度场的分析 37
4.2.2残余应力场分析 38
4.3典型纵骨同一截面对接工艺数值模拟 40
4.3.1焊接温度场的分析 40
4.3.2残余应力场结果 42
4.4不同工艺参数对残余应力影响分析 43
4.4.1焊缝不同间距布置对残余应力影响分析 43
4.4.2不同焊缝开口尺寸对残余应力的影响 45
4.5本章小结 47
第五章 残余应力影响下结构的极限强度对比分析 49
5.1极限承载能力分析理论 49
5.1.1极限载荷状态概述 49
5.1.2结构极限强度分析理论 5..
随着造船技术的发展，分段建造，总段合拢的造船模式已经成为主流模式。为充分发挥这一造船模式的效率和优势，总段合拢的方式从原来的“阶梯式”开始向“一刀齐”方式转变。对于不同的合拢方式的采用，必然会造成焊接残余应力分布和焊接变形的变化，由此带来了各种变化对结构强度的影响问题。因此，开展不同对接工艺下残余应力对船体结构强度的影响研究对后续研究和这种合拢工艺的推广具有十分重要的工程意义。
本文利用有限元数值仿真的方法，结合试验，对船体典型结构加筋板焊接残余应力场、在拉伸载荷作用下残余应力的变化以及对极限承载能力的影响展开研究。主要研究工作及结论如下：
（1）针对典型薄板对接焊接残余应力的分布进行了试验研究，得出薄板在典型焊接工艺下的残余应力分布规律；并利用ANSYS有限元分析软件对薄板对接焊的残余应力分布进行了数值模拟，数值模拟得出的结果与试验值进行对比验证，为后续的研究提供方法与参考。
（2）对船体中的典型结构加筋板的对接焊接过程进行数值模拟，得出外板和骨材采用同一截面焊缝布置和不同截面布置工艺下的焊接残余应力分布情况，并对比分析了采用不同工艺参数条件下的残余应力分布。
（3）将数值模拟得到的焊接残余应力作为预应力施加到有限元模型上，并以此为基础进行典型船体纵向构件在焊接残余应力影响下的极限承载能力的计算，并与试验值进行了对比分析，得出了“一刀齐”对接工艺下残余应力对船体典型结构极限强度的影响程度。
关键词：船舶建造；对接焊缝；焊接残余应力；极限强度
Abstract
The ship modularization mode with segmentation and block assembly is gradually becoming popular while the technology of ship building was developed. In order to exert the efficiency and advantages of this construction mode, the block section butts of prefabricated sections are gradually applied the “in-plane welded connection” instead of “step joint”. There are not enough analysis and the strength calculation of welding structures, particularly analysis on the impact of disfigurement on welding butts and seams.After studying former research, this paper studies the welding residual stress of the T-joint using experimentation and finite element numerical simulation method. This study is valuable in impaction of welding structure with residual stress
In this paper, the residual stresses of the T-joint hull structures were predicted with Finite Element Method (FEM) and tests. Then the changing patterns of the residual stresses and its effect on ultimate strength were studied. The main contents are as follows:
1, The welding residual stresses of the plates joint were obtained with the welding procedures developed by APDL of ANSYS, meanwhile, it were measured with a drilling method testing. It offers the method and parameter to study the residual stresses of the T-joint structures.
2, Making some numerical simulation of welding on T-joint, that with different welding butts, analyzing temperature field and welding stress field, obtaining welding residual stress’s distributing rule.
3, Ultimate strength checking of T-welded structure, which has the residual stress, comparing the result of ultimate strength with these both cases and experimentation.
Key words: ship building, welding seam, welding residual stress, ultimate strength
目录
摘要 I
目录 I
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2焊接残余应力概念及其对结构性能的影响 2
1.2.1焊接残余应力产生机理 2
1.2.2影响焊接残余应力的主要因素 3
1.2.3残余应力的影响 3
1.3焊接残余应力数值模拟 4
1.4本文主要研究内容 5
第二章 焊接过程有限元分析理论 7
2.1焊接有限元分析特点及简化 7
2.1.1 焊接过程有限元分析特点 7
2.1.2 焊接过程有限元分析简化 7
2.2焊接温度场有限元分析理论 9
2.2.1焊接传热基本定律 9
2.2.2焊接热分析基本方程 10
2.2.3焊接温度场的求解理论 11
2.2.4焊接热源 12
2.3焊接应力场有限元分析理论 14
2.3.1焊接模拟的计算准则 15
2.3.2应力应变关系 17
2.3.3平衡方程 17
2.3.4焊接应力场有限元求解方程 18
2.3.5提高计算精度和稳定性的途径 18
2.4 基于ANSYS软件的焊接过程数值模拟 19
2.5 本章小结 20
第三章 焊接残余应力分布数值模拟及试验研究 21
3.1残余应力数值模拟 21
3.1.1基本假设 21
3.1.2有限元模型建立 21
3.1.3材料热物理性能参数的确定 22
3.1.4焊接热源的选取 22
3.1.5边界条件 23
3.2数值模拟计算结果 23
3.3焊接残余应力测量的试验研究 24
3.3.1残余应力试验测量方法及原理 24
3.3.2试验焊件及工艺流程 26
3.3.3残余应力测量方案 26
3.4数值模拟结果与试验值比较 28
3.5本章小结 30
第四章 典型纵骨对接过程数值模拟分析 33
4.1纵骨对接焊接残余应力计算 33
4.1.1研究对象 33
4.1.2有限元模型及网格划分 34
4.1.3材料属性定义 35
4.1.4焊接工艺参数选取 36
4.1.5数值模拟边界条件 37
4.2典型纵骨不同截面对接工艺数值模拟 37
4.2.1焊接温度场的分析 37
4.2.2残余应力场分析 38
4.3典型纵骨同一截面对接工艺数值模拟 40
4.3.1焊接温度场的分析 40
4.3.2残余应力场结果 42
4.4不同工艺参数对残余应力影响分析 43
4.4.1焊缝不同间距布置对残余应力影响分析 43
4.4.2不同焊缝开口尺寸对残余应力的影响 45
4.5本章小结 47
第五章 残余应力影响下结构的极限强度对比分析 49
5.1极限承载能力分析理论 49
5.1.1极限载荷状态概述 49
5.1.2结构极限强度分析理论 5..
