eq70高强钢焊接残余应力测试及其数值模拟(附件)【字数：17518】
高强钢焊接结构广泛应用在各种重要的工程领域。但焊接造成的残余应力会影响焊接结构的承载能力，降低疲劳寿命，引起应力腐蚀开裂等。因此，高强钢焊接残余应力的评价对于结构的焊接质量和服役安全性具有重要意义。采用有限元法是研究焊接残余应力的重要方法。但有限元法计算结果的可靠性依赖于模型的准确性和假设条件的合理性。研究不同有限元模型对计算结果的影响有利于提高有限元法分析焊接残余应力的可靠性。本文采用实验和数值模拟相结合的方法研究EQ70高强钢的焊接残余应力，分析不同焊缝建模方式、二维和三维模型计算残余应力的异同。开展了对接焊试验，测试了焊接过程的温度场；并用小孔法测量了试板表面焊接残余应力，用轮廓法测试了焊接件内部焊接残余应力。根据实际焊缝形貌和猜测焊缝形貌建立了二维和三维有限元模型，计算并比较了实际焊缝形貌模型和猜测焊缝形貌模型计算的温度场和应力场结果，并比较了二维模型和三维模型的计算结果；此外，数值计算结果与实际测量结果也进行了比较分析。研究结果表明两种焊缝形貌二维模型计算出的EQ70高强钢焊接温度场分布很接近；二维模型与三维模型计算出的残余应力场分布相似；猜测焊缝形貌计算结果与实际形貌计算的应力场分布差异不大；盲孔法测得的上下表面残余应力与数值计算结果差异较大；轮廓法测得应力分布与计算结果分布趋势相近，但幅值差异较大。关键词高强钢；残余应力；有限元模型；数值模拟
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1 残余应力测量的研究方法 1
1.2.2 残余应力有限元模拟的研究现状 2
1.3 研究思路与方法 3
第二章 试板焊接及残余应力测量 5
2.1 试验方案及过程 5
2.1.1 试验材料、尺寸及焊道顺序 5
2.1.2 焊接前准备及焊接工艺参数 6
2.1.3 试板焊接及温度测试 8
2.2 残余应力测试 10
2.2.1 盲孔法残余应力测试 10
2.2.2 轮廓法残余应力测试 11
2.3本章小结 12
第三章 有限元模型的建立及计算过程 13
3.1 材料性能参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数 13
3.2 高强钢焊接接头有限元模型及模拟过程 13
3.2.1 几何模型与网格划分 13
3.2.2 焊道生长过程的实现 15
3.2.3 边界条件 15
3.2.4 焊接热源模型的选择 16
3.3 计算过程 17
3.4 本章小结 18
第四章 计算结果与分析 19
4.1 二维模型焊接温度场计算结果比较 19
4.2猜测焊缝形貌与实际焊缝形貌二维模型应力计算结果比较 20
4.2.1 应力分布云图比较 20
4.2.2 选定路径上应力分布状态的比较 21
4.3猜测焊缝形貌与实际焊缝形貌三维模型应力计算结果比较 23
4.3.1 应力分布云图比较 23
4.3.2 选定路径上应力分布状态的比较 25
4.4二维模型计算结果与三维模型计算结果的比较 28
4.4.1猜测形貌二维三维计算结果比较 28
4.4.2实际形貌二维三维计算结果比较 29
4.5 残余应力计算结果与试验测量结果的比较 31
4.5.1 盲孔法测得表面残余应力与数值计算结果比较 31
4.5.2 轮廓法测得内部残余应力与数值计算结果比较, 34
结论 38
致谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
EQ70是一种超细晶、高洁净度、高均匀性的低合金高强钢[1]，它是一种重要的高强度海洋平台用钢[24]，由于海洋平台所处环境恶劣，海洋平台用钢的设计不仅要考虑海浪、大风、海底地震、低温等自然力的侵害，还需要其拥有较高的强度、韧性，良好的抗裂、抗疲劳、耐腐蚀性能以及优良的焊接性。在海洋平台关键部位如桩腿、齿条等处，用钢技术标准更加苛刻。使用强度级别较高的钢材在减轻海洋工程结构的质量的同时，还能增加结构整体的安全性。如世界上最先进的第六代深水半潜式钻井平台“海石油981”平台的立柱与上船体连接的区域就采用了高强钢EQ56和EQ70等[5]。
焊接具有加热及冷却速度快、加热温度高、局部加热的特点。焊接时，在热源作用部位的金属瞬间达到或超过熔点，形成熔池，而在焊接件其他部位的金属仍处于较低温度，这种不均匀的加热及随后不均匀的冷却会造成金属不均匀的膨胀和收缩，从而从而引起焊接应力及各种焊接变形。在焊接件之后的服役过程中，焊接残余应力的存在可能对构件承载能力产生影响，当有外界条件（如腐蚀介质的循环载荷等）存在时，可能会加剧残余应力的危害。因此对焊接残余应力进行准确评价是准确评测焊接结构的使用性能、服役寿命和失效的基础，对残余应力的机理、影响因素等研究是控制、预测和减小残余应力的前提[6]。
对于厚度大的高强钢焊接，由于材料强度高，多道焊接造成的残余应力具有幅值高分布复杂的特点，加上高强钢多应用于重要场合（如海洋平台、桥梁等）的受力结构，因此对其进行准确预测具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1 残余应力测量的研究方法
所谓焊接残余应力是指在没有外力作用下，残存于焊接件内部的应力。处于焊接件表面的残余应力称为表面残余应力，焊接件内部的残余应力称为内部残余应力。准确检测厚板结构焊缝全局焊接残余应力的分布状态，得到厚板结构的焊接残余应力分布规律，对船用钢板焊接具有重要的指导意义。
目前对焊接残余应力的测量有很多方法，一般可分为机械方法和物理方法，机械方法一般会破坏焊接结构的完整性，原理可简述为：采用各种机械加工方法去除焊接构件上的一部分材料，破坏原本的应力平衡，整个焊接结构的应力重新分布并达到平衡，测量出特定区域的应力变化，根据弹性力学的理论即可推算出这一范围内的应力，机械方法包括切条法、小孔法、套孔法、逐层剥削法等[7]。切条法适用于薄板试件，可用于测量单轴焊接残余应力[8]；逐层剥削法已被证实可用于测量较大区域内的应力分布，但是该法需对构件逐层铣削，极大的限制了该法的应用范围[9]；小孔法是测量表面应力常用的方法，试验表明小孔法可用来测量厚板表面应力[10]；2001年Prime[11]将应力释放技术和有限元方法结合在一起，提出用轮廓法测量构件内部应力，其基本原理是切割构件需要评价应力的平面，将其完整切开为两半，由于应力平衡被破坏导致切割面变形，测量切割面表面轮廓，再使用有限元分析软件进行应力重构分析，即可得到切割面焊接残余应力。采用轮廓法一次切割可以获得垂直切割面方向的应力，两次切割可以获得焊接件内两个方向的应力。该方法测试方法简单，对焊件微观组织不敏感[12]且对大厚度构件的内部残余应力也能够准确测量[13]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1 残余应力测量的研究方法 1
1.2.2 残余应力有限元模拟的研究现状 2
1.3 研究思路与方法 3
第二章 试板焊接及残余应力测量 5
2.1 试验方案及过程 5
2.1.1 试验材料、尺寸及焊道顺序 5
2.1.2 焊接前准备及焊接工艺参数 6
2.1.3 试板焊接及温度测试 8
2.2 残余应力测试 10
2.2.1 盲孔法残余应力测试 10
2.2.2 轮廓法残余应力测试 11
2.3本章小结 12
第三章 有限元模型的建立及计算过程 13
3.1 材料性能参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数 13
3.2 高强钢焊接接头有限元模型及模拟过程 13
3.2.1 几何模型与网格划分 13
3.2.2 焊道生长过程的实现 15
3.2.3 边界条件 15
3.2.4 焊接热源模型的选择 16
3.3 计算过程 17
3.4 本章小结 18
第四章 计算结果与分析 19
4.1 二维模型焊接温度场计算结果比较 19
4.2猜测焊缝形貌与实际焊缝形貌二维模型应力计算结果比较 20
4.2.1 应力分布云图比较 20
4.2.2 选定路径上应力分布状态的比较 21
4.3猜测焊缝形貌与实际焊缝形貌三维模型应力计算结果比较 23
4.3.1 应力分布云图比较 23
4.3.2 选定路径上应力分布状态的比较 25
4.4二维模型计算结果与三维模型计算结果的比较 28
4.4.1猜测形貌二维三维计算结果比较 28
4.4.2实际形貌二维三维计算结果比较 29
4.5 残余应力计算结果与试验测量结果的比较 31
4.5.1 盲孔法测得表面残余应力与数值计算结果比较 31
4.5.2 轮廓法测得内部残余应力与数值计算结果比较, 34
结论 38
致谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
EQ70是一种超细晶、高洁净度、高均匀性的低合金高强钢[1]，它是一种重要的高强度海洋平台用钢[24]，由于海洋平台所处环境恶劣，海洋平台用钢的设计不仅要考虑海浪、大风、海底地震、低温等自然力的侵害，还需要其拥有较高的强度、韧性，良好的抗裂、抗疲劳、耐腐蚀性能以及优良的焊接性。在海洋平台关键部位如桩腿、齿条等处，用钢技术标准更加苛刻。使用强度级别较高的钢材在减轻海洋工程结构的质量的同时，还能增加结构整体的安全性。如世界上最先进的第六代深水半潜式钻井平台“海石油981”平台的立柱与上船体连接的区域就采用了高强钢EQ56和EQ70等[5]。
焊接具有加热及冷却速度快、加热温度高、局部加热的特点。焊接时，在热源作用部位的金属瞬间达到或超过熔点，形成熔池，而在焊接件其他部位的金属仍处于较低温度，这种不均匀的加热及随后不均匀的冷却会造成金属不均匀的膨胀和收缩，从而从而引起焊接应力及各种焊接变形。在焊接件之后的服役过程中，焊接残余应力的存在可能对构件承载能力产生影响，当有外界条件（如腐蚀介质的循环载荷等）存在时，可能会加剧残余应力的危害。因此对焊接残余应力进行准确评价是准确评测焊接结构的使用性能、服役寿命和失效的基础，对残余应力的机理、影响因素等研究是控制、预测和减小残余应力的前提[6]。
对于厚度大的高强钢焊接，由于材料强度高，多道焊接造成的残余应力具有幅值高分布复杂的特点，加上高强钢多应用于重要场合（如海洋平台、桥梁等）的受力结构，因此对其进行准确预测具有重要意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1 残余应力测量的研究方法
所谓焊接残余应力是指在没有外力作用下，残存于焊接件内部的应力。处于焊接件表面的残余应力称为表面残余应力，焊接件内部的残余应力称为内部残余应力。准确检测厚板结构焊缝全局焊接残余应力的分布状态，得到厚板结构的焊接残余应力分布规律，对船用钢板焊接具有重要的指导意义。
目前对焊接残余应力的测量有很多方法，一般可分为机械方法和物理方法，机械方法一般会破坏焊接结构的完整性，原理可简述为：采用各种机械加工方法去除焊接构件上的一部分材料，破坏原本的应力平衡，整个焊接结构的应力重新分布并达到平衡，测量出特定区域的应力变化，根据弹性力学的理论即可推算出这一范围内的应力，机械方法包括切条法、小孔法、套孔法、逐层剥削法等[7]。切条法适用于薄板试件，可用于测量单轴焊接残余应力[8]；逐层剥削法已被证实可用于测量较大区域内的应力分布，但是该法需对构件逐层铣削，极大的限制了该法的应用范围[9]；小孔法是测量表面应力常用的方法，试验表明小孔法可用来测量厚板表面应力[10]；2001年Prime[11]将应力释放技术和有限元方法结合在一起，提出用轮廓法测量构件内部应力，其基本原理是切割构件需要评价应力的平面，将其完整切开为两半，由于应力平衡被破坏导致切割面变形，测量切割面表面轮廓，再使用有限元分析软件进行应力重构分析，即可得到切割面焊接残余应力。采用轮廓法一次切割可以获得垂直切割面方向的应力，两次切割可以获得焊接件内两个方向的应力。该方法测试方法简单，对焊件微观组织不敏感[12]且对大厚度构件的内部残余应力也能够准确测量[13]。
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