船體構(gòu)件切焊連續(xù)加工中的殘余應(yīng)力問(wèn)題研究.pdf

1、船舶建造是一系列工藝方法對(duì)船體構(gòu)件進(jìn)行連續(xù)加工的過(guò)程，最終船體結(jié)構(gòu)內(nèi)的殘余應(yīng)力與變形是多項(xiàng)工藝聯(lián)合作用的結(jié)果。因此，為準(zhǔn)確掌握船體構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，不應(yīng)只關(guān)注由單項(xiàng)工藝引起的殘余應(yīng)力（例如焊接殘余應(yīng)力），需要以動(dòng)態(tài)視角追蹤整個(gè)船體建造周期，關(guān)注殘余應(yīng)力在多工藝連續(xù)加工中的演變過(guò)程，以及多工藝聯(lián)合作用產(chǎn)生的耦合殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。本文在研究船體構(gòu)件中的殘余應(yīng)力問(wèn)題時(shí)，強(qiáng)調(diào)“分布”和“演變”兩個(gè)視角，以船體建造中典型的連續(xù)加工

2、過(guò)程——熱切割與焊接的連續(xù)加工為切入點(diǎn)，著重分析這一過(guò)程中耦合殘余應(yīng)力的分布規(guī)律、演變過(guò)程、切焊耦合作用等關(guān)鍵問(wèn)題:
　　(1)為獲得船體構(gòu)件內(nèi)準(zhǔn)確的殘余應(yīng)力分布與變形，一個(gè)重要前提就是掌握構(gòu)件在焊接前的初始應(yīng)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(chǎn)生的切割殘余應(yīng)力作為焊接前的初始應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形都有重要影響。本文基于氧氣切割的化學(xué)反應(yīng)方程式與熔渣成份分析，提出了表面預(yù)熱火焰和鐵燃燒內(nèi)生熱的組合熱源模型，并

3、通過(guò)氧氣切割實(shí)驗(yàn)中的溫度場(chǎng)紅外成像，確定了熱源模型參數(shù)，并驗(yàn)證其可靠性;基于該熱源模型，進(jìn)一步構(gòu)建了氧氣切割熱力過(guò)程的數(shù)值分析模型，計(jì)算得到氧氣切割殘余應(yīng)力分布，并通過(guò)沖擊壓痕法應(yīng)力測(cè)試加以驗(yàn)證。
　　切割殘余應(yīng)力的分布主要表現(xiàn)為割縫邊緣的高拉應(yīng)力區(qū)和較遠(yuǎn)處與之相平衡的壓應(yīng)力區(qū)。當(dāng)割縫達(dá)到一定長(zhǎng)度后，沿橫向中心線上的縱向應(yīng)力分布具有高度代表性，根據(jù)該路徑上的應(yīng)力分布特征，將橫向中心線劃分為3個(gè)應(yīng)力區(qū)域，并提出了6個(gè)特征量對(duì)切割應(yīng)力

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

5、束R、切割長(zhǎng)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(duì)應(yīng)力分布特征量的影響程度，通過(guò)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(duì)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(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，通過(guò)大量的數(shù)值計(jì)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(yīng)用該回歸模型對(duì)指定工況下的切割殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值與數(shù)值

6、計(jì)算結(jié)果差值在10％以內(nèi)，預(yù)測(cè)效果良好。
　　(3)以平板構(gòu)件經(jīng)氧氣切割后再進(jìn)行對(duì)接焊的工藝過(guò)程為對(duì)象，研究切焊連續(xù)加工中的耦合殘余應(yīng)力分布與演變規(guī)律，并在其中考慮了切割產(chǎn)生的初始應(yīng)力場(chǎng)的影響。
　　基于切割應(yīng)力分布的回歸方程，構(gòu)建了切割、焊接連續(xù)加工熱力過(guò)程的快捷數(shù)值分析方法，計(jì)算得到切焊耦合殘余應(yīng)力分布，通過(guò)平板切焊連續(xù)加工實(shí)驗(yàn)和X射線衍射法應(yīng)力測(cè)試加以驗(yàn)證。切焊耦合應(yīng)力的分布形式主要由能產(chǎn)生較大范圍的高拉應(yīng)力區(qū)的工藝過(guò)

7、程所決定，當(dāng)焊接產(chǎn)生的高拉應(yīng)力區(qū)寬度B1w小于切割的B1c時(shí)，（切割）初始應(yīng)力場(chǎng)對(duì)耦合應(yīng)力場(chǎng)則有不可忽略的影響。
　　通過(guò)對(duì)時(shí)間域和空間域的分割，分析切焊耦合應(yīng)力在各區(qū)域、各階段的演變過(guò)程。根據(jù)溫度歷程，在時(shí)間上將耦合應(yīng)力演變分為3個(gè)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(gè)區(qū)域:Γ1～Γ3。在T1階段，初始應(yīng)力場(chǎng)在焊接熱源的作用下產(chǎn)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(nèi)，初始