考虑焊接残余应力的钢桥面板U肋焊接处局部应力分析

为研究正交异性钢桥面板的顶板与U肋焊缝连接处残余应力及与外荷载组合作用下的局部受力特征,针对宽体钢箱梁工程实例,基于热弹塑性有限元法对该焊缝的施焊过程进行了数值模拟,分析了焊接过程中温度场和应力场的变化；以初应力的方法实现了焊接残余应力与外荷载作用的组合。研究结果表明：面板下缘垂直于焊缝方向的残余拉应力峰值接近材料的屈服强度,远离焊缝的区域应力急剧减小,焊趾处的横向残余应力要明显大于焊根处；由面板上缘至下缘,纵向残余应力由压应力变为拉应力,横向残余应力呈现出“拉应力-压应力-拉应力”的交替变化趋势；以初应力的方式考虑残余应力,稳定应力场的相对误差可控制在5.0%以内；自重与二期恒载对焊缝区局部应力场的分布特征和焊根及焊趾处的应力极值的影响不大(1.7%以内)；外荷载中考虑局部对称轮载作用且未考虑焊接残余应力在外荷载作用下的消散情况时,焊根及焊趾处垂直于焊缝的横向应力极大值最大分别可增大10.7%、17.6%；焊接残余应力及与外荷载组合作用下,焊趾及焊根位置处沿面板厚度应力的分布符合“直线+抛物线”的规律。     

纵肋-顶板焊缝交错裂纹的三维扩展模拟

建立桥面板节段有限元模型,在肋-板焊缝处引入多条裂纹,分析纵肋顶板处交错裂纹扩展的特性。结果表明:纵肋顶板焊缝处单一裂纹扩展时,裂纹扩展速度逐渐加快;沿焊趾纵向交错裂纹扩展时,相比单裂纹,深度方向扩展速度有较大增长;焊趾与焊根处裂纹同时扩展时,初期两处应力互相卸载,导致扩展速度降低,至其中一条裂纹扩展速度降低至一定程度时,余下裂纹扩展速度开始加快,最终疲劳寿命略微增加。     

钢桥面板纵肋顶板焊缝多裂纹扩展特性

为探明钢桥面板纵肋顶板焊缝焊趾多裂纹扩展形态变化及竞争机制,基于断裂力学理论并联合运用ABAQUS与FRANC3D,在验证数值模拟方法可靠性的基础上,建立钢桥面板节段模型,在焊趾区域植入共面或异面裂纹,进行裂纹扩展对比分析。结果表明：共面裂纹在扩展过程中存在单裂纹扩展、裂纹融合及融合后扩展3个阶段,裂纹融合时最深点处扩展速率陡增,且中点处扩展速率大于两侧,进而裂纹趋于半椭圆形,融合后扩展过程中形状比逐渐减少;焊趾与热影响区裂纹构成的异面裂纹间存在扩展竞争机制,初始尺寸相同时,随着多裂纹扩展的进行,裂纹尺寸差异逐渐放大,裂纹间相互作用对热影响区裂纹扩展的抑制作用也逐渐增强,并且热影响区裂纹在扩展至一定深度时,因裂纹尖端ΔKeff低于门槛值而停止扩展,此深度随异面间距s2增加而增加;率先到达疲劳破坏临界值的主导裂纹,在尺寸比≤1.4时为焊趾裂纹,≥1.5时为热影响区裂纹。     

基于振动时效工艺的正交异性钢桥面板残余应力调控

为减小正交异性钢桥面板焊接残余应力,同时为检验振动时效工艺在桥梁钢结构应用中的有效性,基于足尺模型,采用振动时效工艺对焊接残余应力进行了调整,并通过盲孔法残余应力测试对时效效果进行了评定。结果表明：正交异性钢桥面板焊缝区的残余应力较大,达到或超过材料的屈服强度;振动时效后,面板焊缝区及焊缝表面的残余应力均降低到屈服强度以下,也更加均匀;应力水平越高,振动时效的效果越好;振动时效后,远离焊缝区的应力有少量的增加,但仍保持在较低的水平;建议将振动时效工艺应用到桥梁钢结构焊接残余应力调整中。     

焊接工艺对波形钢腹板焊接细节残余应力的影响

为得到一种较优的波形钢腹板-翼缘板焊件焊接工艺,以头道河大桥为工程背景,采用ABAQUS建立了3种不同加载工况下的焊接数值计算模型,得到了焊接过程中焊件的温度场变化,并对比了单面焊件在不同焊接顺序下的纵向残余应力分布,分析了单面焊件和双面焊件在折角区域焊缝的纵向残余应力分布,考虑了变截面对关键细节纵向残余应力的影响。结果表明：焊缝附近的等效残余应力接近Q345钢材的屈服应力,不容忽视;合理的焊接顺序能够降低单面焊件在折角区域焊缝的纵向残余应力;对于双面焊件,先焊一侧的焊缝应力水平低于单面焊件的,而后焊一侧的焊缝应力水平则高于单面焊件的,为减小折角焊缝区域的纵向残余应力,建议采用先焊折角圆弧外侧,再焊圆弧内侧的双面焊焊接工艺;关键细节的纵向残余应力与翼缘板厚度呈负相关。     

焊接残余应力对钢桥面疲劳性能的影响与处理措施

为改善正交异性钢桥面的抗疲劳性能,对钢桥面进行退火处理以降低关键焊缝的焊接残余应力。首先系统性地回顾和探讨钢桥面焊接残余应力分布模式,同时就残余应力对疲劳裂纹发展的影响进行了文献分析。随后,归纳和总结了国内外主流焊接残余应力消除方法,并开展对比分析。借鉴压力容器制造方法,建议在正交异性钢桥面制造中引入退火处理工艺以降低焊接残余应力。研究聚焦钢桥面中疲劳问题较突出的顶板与U肋连接焊缝,设计了16个(其中9个退火处理,7未作处理)局部足尺单U肋试件进行残余应力测试与疲劳试验。试验结果表明,退火处理后焊缝残余应力实测值降低约80%,疲劳强度提高约23%。可以看出,退火处理可以大幅降低焊接残余应力,从而有效提升钢桥面抗疲劳性能。     

考虑应力松弛效应的球头-锥面密封性能分析

建立了考虑应力松弛效应的球头-锥面密封有限元模型,并采用这一模型获得螺母残余预紧应力及球头-锥面间接触应力随蠕变时间的变化规律. 在此基础上,依据Roth提出的泄漏模型推导出考虑应力松弛效应下球头-锥面密封泄漏率的计算公式,并采用这一公式获得不同工况参数下考虑应力-松弛效应的球头-锥面密封泄漏率随蠕变时间的变化规律. 本文在球头-锥面密封性能分析中实现了应力松弛效应影响的嵌入,这一研究不仅有助于球头-锥面密封性能分析技术在其工程分析设计中的实用化,也在一定程度上对球头-锥面密封性能研究理论体系和方法有所完善.     

焊接残余应力梯度测试的试验研究

对压力容器焊缝两侧采用开槽释放残余应力、电测法测量残余应力梯度.测出残余应力沿垂直于焊缝的应力梯度和分布曲线.     

拘束焊接头应力应变的数值计算

采用有限元法对拘束焊进行模拟分析,发现拘束焊在有效控制焊接残余角变形的同时并不会使残余应力有很大增加,从而证明了拘束焊控制残余角变形的有效性、可行性。通过对不同厚度钢板的拘束焊问题的研究,计算出了不同厚度钢板拘束焊时所需的拘束力和拘束长度。利用最小二乘法,总结出了拘束力和拘束长度与板厚之间的简单关系,可用以指导实际生产。     

球面加载法在舰船舱室爆炸破坏环境中的应用

在研究空中爆炸及舰船密闭舱室爆炸时,提出了球面加载法对现有有限元程序进行改进,计算结果表明:球面加载法能有效改善现有有限元软件在计算冲击波在流场中衰减过快的弊端,且采用球面加载法得到的流场冲击波压力与理论值吻合良好.在此基础上,采用球面加载法对某舰密闭舱室遭受反舰导弹攻击发生爆炸时的破坏环境进行了计算,给出了密闭舱室爆炸时舰船的破坏环境.研究结果对开展相关的研究具有一定的参考价值.     

扁平钢箱梁U肋焊接残余应力数值模拟分析

已建成的扁平钢箱梁桥在运营过程中发现一些与结构、构造和制造相关的病害,并且随着服役时间的增长越来越突出。其原因是扁平钢箱梁结构采用薄板组焊而成,因此,扁平钢箱梁在未受力之前,便已存在着由于焊接所产生的应力场和变形场, 导致扁平钢箱梁普遍出现裂纹等病害。运用热结构耦合法对扁平钢箱梁U肋与桥面板交接处焊接的温度场和应力场进行数值模拟计算分析,并得到焊接残余应力的分布规律,为进一步分析结构病害与加固设计提供依据。     

降低陶瓷—金属钎焊残余应力的方法

采用施加轴向压力的方法以降低陶瓷－金属行焊接头的残余应力。结果表明：轴压在一定范围内,降低残余应力的效果较明显。     

钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

为了探究控制钢结构焊接过程变形策略,通过钢板对接方法研究了焊接残余应力及焊接变形.以两块同料、同尺寸钢板对接解析焊接工艺过程,设定常态焊接工艺参数,在焊接钢板上进行焊接横向及纵向残余应力计算,并在焊接过程构建温度场,建立有限元模型,绘制其温度曲线图,探究残余应力变化趋势及分布情况.结果表明,对接焊接钢结构焊缝附近部分残余应力较大,结构残余应力在初始加热时期会呈现较快下降趋势,后逐渐趋于平缓,钢板对接焊接变形主要原因是纵向残余应力过大,可通过平行加热处理降低纵向残余应力的影响.     

焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响

给出了焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响,采用断裂力学理论分析疲劳行为,引用了裂纹张开率U和有效应力强度因子幅值△Keff的概念.     

厚壁球冠结构焊接变形及残余应力数值实验研究

潜艇球面艏端隔壁结构在工程焊接过程中产生的焊接变形及残余应力是关系到潜艇安全的重要指标．为了保证焊接构件的可靠性，准确推断潜艇球面艏端隔壁构件焊接过程中的力学行为，有必要针对厚壁球冠结构的焊接变形及残余应力进行数值实验分析．该文在大型有限元软件ANSYS的基础上，开发了相应的焊接程序，对焊接过程中结构的应力、变形进行了数值模拟；并将模拟结果与相关的理论值及实验值进行对比分析．对比结果表明，数值实验结果与理论结果基本吻合，可以满足工程要求．在此基础上，对厚壁球冠结构的焊接过程进行三维有限元分析，得到了球冠结构焊接时的变形及残余应力的变化规律，为结构的加工工艺提供了可靠的依据．