船體構件切焊連續(xù)加工中的殘余應力問題研究.pdf

1、船舶建造是一系列工藝方法對船體構件進行連續(xù)加工的過程，最終船體結構內的殘余應力與變形是多項工藝聯(lián)合作用的結果。因此，為準確掌握船體構件內殘余應力和變形的分布規(guī)律，不應只關注由單項工藝引起的殘余應力（例如焊接殘余應力），需要以動態(tài)視角追蹤整個船體建造周期，關注殘余應力在多工藝連續(xù)加工中的演變過程，以及多工藝聯(lián)合作用產生的耦合殘余應力的分布規(guī)律。本文在研究船體構件中的殘余應力問題時，強調“分布”和“演變”兩個視角，以船體建造中典型的連續(xù)加工

2、過程——熱切割與焊接的連續(xù)加工為切入點，著重分析這一過程中耦合殘余應力的分布規(guī)律、演變過程、切焊耦合作用等關鍵問題:
　　(1)為獲得船體構件內準確的殘余應力分布與變形，一個重要前提就是掌握構件在焊接前的初始應力狀態(tài)。熱切割作為焊接加工前最重要的成形工藝，它所產生的切割殘余應力作為焊接前的初始應力場，對焊接殘余應力和變形都有重要影響。本文基于氧氣切割的化學反應方程式與熔渣成份分析，提出了表面預熱火焰和鐵燃燒內生熱的組合熱源模型，并

3、通過氧氣切割實驗中的溫度場紅外成像，確定了熱源模型參數(shù)，并驗證其可靠性;基于該熱源模型，進一步構建了氧氣切割熱力過程的數(shù)值分析模型，計算得到氧氣切割殘余應力分布，并通過沖擊壓痕法應力測試加以驗證。
　　切割殘余應力的分布主要表現(xiàn)為割縫邊緣的高拉應力區(qū)和較遠處與之相平衡的壓應力區(qū)。當割縫達到一定長度后，沿橫向中心線上的縱向應力分布具有高度代表性，根據(jù)該路徑上的應力分布特征，將橫向中心線劃分為3個應力區(qū)域，并提出了6個特征量對切割應力

4、分布進行參數(shù)化表達。
　　(2)對氧氣切割殘余應力分布規(guī)律進行了定量分析，不同于以往以應力值為研究對象，本文關注的是應力分布特征量，建立切割應力分布特征量與切割關鍵工藝要素之間的數(shù)學關系方程。
　　首先進一步提煉切割殘余應力分布特征量，選出兩個最具代表性的特征量:高拉應力區(qū)寬度B1、橫截面拉應力積分Ft，將其作為回歸方程中的因變量。之后對回歸方程中的自變量——切割工藝要素進行分類與篩選，分別進行B1和Ft對切割速度v、邊界約

5、束R、切割長度L、工件寬度B、工件厚度H的單因素回歸分析，以考察各工藝要素對應力分布特征量的影響程度，通過研究發(fā)現(xiàn):用逆函數(shù)一一擬合B1、Ft與L、B、H取得了顯著效果，而邊界約束R對B1與Ft的影響具有系列性，將其作為定性變量加入回歸模型。最后設計了正交試驗，通過大量的數(shù)值計算和多元回歸分析，提出了lnB1、lnFt與L-1、B-1、H-1、R之間的多元線性回歸模型，并應用該回歸模型對指定工況下的切割殘余應力分布進行預測，預測值與數(shù)值

6、計算結果差值在10％以內，預測效果良好。
　　(3)以平板構件經氧氣切割后再進行對接焊的工藝過程為對象，研究切焊連續(xù)加工中的耦合殘余應力分布與演變規(guī)律，并在其中考慮了切割產生的初始應力場的影響。
　　基于切割應力分布的回歸方程，構建了切割、焊接連續(xù)加工熱力過程的快捷數(shù)值分析方法，計算得到切焊耦合殘余應力分布，通過平板切焊連續(xù)加工實驗和X射線衍射法應力測試加以驗證。切焊耦合應力的分布形式主要由能產生較大范圍的高拉應力區(qū)的工藝過

7、程所決定，當焊接產生的高拉應力區(qū)寬度B1w小于切割的B1c時，（切割）初始應力場對耦合應力場則有不可忽略的影響。
　　通過對時間域和空間域的分割，分析切焊耦合應力在各區(qū)域、各階段的演變過程。根據(jù)溫度歷程，在時間上將耦合應力演變分為3個階段:T1～T3。根據(jù)B1w和B1c的值，在空間上將橫向中心線分為3個區(qū)域:Γ1～Γ3。在T1階段，初始應力場在焊接熱源的作用下產生卸載或者疊加等現(xiàn)象，根據(jù)所處區(qū)域的不同:在Γ1（0～B1w）內，初始