船用低温高强钢三维多层焊接变形有限元模拟

低温高强钢EH36在船舶重要结构部位应用广泛.采用有限元软件,根据EH36钢热物理特性,对其焊接温度场和焊接变形进行了数值模拟.通过选择具备热和结构功能的耦合单元,应用APDL二次开发语言和生死单元技术,在三维方向上,对开坡口厚板的多层焊焊接热循环过程进行了分析,得到工件收缩变形及角变形等数据.结果表明,第一层焊接变形与第二层焊接变形大小和趋势存在差异,而后焊部位的焊接变形也不同于先焊部位.通过常见的V形坡口和U形坡口焊接变形大小的比较,在坡口截面尺寸相同的情况下,得到U形坡口焊接角变形明显小于V形坡口的结论.     

基于视觉传感的焊缝中心检测技术研究

通过视觉传感器获取焊缝图像，采用多种去噪技术对焊缝图像中的噪声进行滤波试验。针对焯缝图像中的干扰噪声特性，对各种滤波方法进行了分析和比较，并对滤波效果较好的焊缝图像进行边缘检测计算。提出3种识别焊缝特征的组合图像处理方法，并研究提取焊缝中心特征信息的效果和精度。试验结果表明，对焊缝图像采用Wiener滤波与Robert边缘检测算法能较好地提取焊缝中心位置的特征信息。     

卡尔曼滤波焊缝跟踪控制

在视觉传感的电弧自动焊接过程中,需要根据视觉信息来控制电弧准确地跟踪焊缝.由于强烈的弧光干扰,使得从焊接区图像中直接提取电弧与焊缝的偏差信息十分困难.为此提出一种利用熔池图像质心和卡尔曼滤波来间接获取电弧与焊缝偏差的方法.选择熔池图像质心作为状态向量,建立基于图像质心的状态方程和焊缝位置测量方程.利用卡尔曼滤波消除过程噪声和测量噪声的影响,通过对熔池图像质心的状态估计,准确获取焊缝位置以及电弧与焊缝之间的偏差量,为自动焊接过程的焊缝跟踪控制提供准确信息.焊接试验结果表明,利用卡尔曼滤波方法可有效降低过程噪声和测量噪声的影响,从而提高焊缝跟踪控制精度.     

电致奥氏体增韧高强钢焊接热影响区机理

采用电脉冲处理FH690钢焊接热影响区，利用显微观察和和力学性能试验，分析了电脉冲效应对热影响区韧性的影响。缺口冲击试验结果表明电脉冲处理后热影响区的韧性增强，显微观察断口形貌呈塑性，电子背射衍射试验表明塑性相为奥氏体。在电脉冲作用下，脆性组元的大电阻产生集中的焦耳热和电流密度，依据Boltzmann分布规律，揭示了薄膜状奥氏体在电压梯度、温度梯度及其产生的压应力梯度综合作用下的形成机理。电脉冲作用斑点不超过0.2 mm,与经典焊后热处理韧化技术相比，显示了电脉冲韧化的局域性特征。     

基于视觉图像质心的焊缝跟踪新技术

从基于图像质心的焊缝跟踪技术出发，通过对图像质心公式的深入研究，根据图像灰度与视觉传感器响应电压值的关系、响应电压值与检测部位的发射率及光谱辐射强度等关系，从理论上得出质心与焊缝中心的关系模型，论证了图像质心与焊缝中心存在相关性，并通过大量试验证明了关系模型的准确性。     

用于焊缝检测的比色图像偏心算法

提出了基于焊接比色图像偏心的概念并给出计算公式.从比色图像信号强度与焊接区域发射率、光谱辐射强度等的关系、比色值与焊接温度场及比色系统波长的关系以及比色图像偏心计算公式出发,分析了比色图像比色值分布对称性,推导并建立了焊接比色图像偏心与焊接区温度的函数值、焊缝中心与电弧中心偏差间关系模型.研究了以比色图像偏心作为检测对象的优异特性,给出了模型在某一焊接工艺参数条件下的数值解,发现模型的输出与输入有很好的线性关系.仿真试验证明以比色图像偏心可以代替焊缝中心偏差,为进一步研究比色图像偏心算法的实际应用打下理论基础.     

基于等效载荷法的复杂结构焊接变形预测

采用固有应变等效载荷法,对复杂结构焊接变形进行预测.以焊接热过程产生的广义固有应变作为等效载荷,通过确定等效载荷的大小、加载区域和方式,编制等效载荷的施加程序,经过一次弹性有限元计算出焊接变形.以某51 000t散货船的双层底分段为例.采用等效载荷法对其焊接变形进行预测计算结果与实测数据进行比较,验证了固有应变等效载荷法预测船体双层底结构焊接变形的可行性,结果表明,固有应变法预测焊接变形结果与实测数据具有良好的一致性,且预测效率较高.     

复杂结构焊接变形预测的模块载荷法特性

应用力学和有限元方法,探讨了基于模块载荷有限元法预测复杂结构焊接变形的力学原理及特性,分析了模块载荷中残余应力和残余应变的载荷特性和有限元分析的收敛性,提出将残余应力载荷力学等效为节点应力载荷的方法,有效地解决了模块载荷有限元法焊接变形的弹性分析中结构易畸变、不收敛问题,并为分析焊接顺序影响提供可能.以船体底部分段为例,采用新提出的模块等效残余应力法预测了结构焊接变形,并且考虑焊接顺序影响,对比分析了焊接顺序对结构焊接变形的影响,试验结果与试验数据的吻合性验证了方法的有效性.     

焊接弧坑热裂纹的力学机制分析

应用断裂力学物理量和有限元方法,分析并揭示焊缝弧坑热裂纹开裂力学机理. 通过应力的无量纲化和正交变换,将热—弹塑性有限元分析获得的节点应力等效为应力强度因子计算模型的外载荷,建立了基于应力强度因子参量的焊缝弧坑热裂纹数值分析模型. 计算并比较焊接热应力作用下焊缝含裂纹单元的张开、剪切和撕裂三类应力强度因子,揭示弧坑裂纹断裂机制并断口试验验证. 结果表明,弧坑热裂纹以拉裂模式主导,在热裂纹敏感区间1100~1000 ℃扩展速度最快,且呈“之”字形开裂取向.     

基于弹塑性力学的T形接头焊接变形三维模拟

采用弹塑性力学理论对常见的T形焊接接头的焊接变形进行了数值模拟.焊接过程中母材受热不均匀,材料的热物性参数、弹塑性性能随温度变化呈现非线性关系等都会使结构在焊后存在不均匀的焊接变形.在不同的温度区域,通过选择弹性或塑性矩阵及在塑性区定义屈服条件,采用有限元方法,对T形接头焊接变形过程进行了三维数值模拟.为提高数值模拟的精度,热源模型采用了与实际焊接过程较匹配的Goldak双热源模型.模拟结果表明,在距焊缝一定距离的纵截面上,T形接头的底版产生不均匀的焊接角变形,数值模拟结果与理论分析基本一致,为焊接结构焊接变形的预测及控制打下了基础.