铸钢件非对称环形焊缝残余应力分析与断裂性能研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TB31密级：公开UDC：531学号：139364铸钢件非对称环形焊缝残余应力分析与断裂性能研究研究生姓名：夏杰导师姓名：靳慧教授申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称力学论文答辩日期2018年04月04日二级学科名称工程力学学位授予日期20年月日答辩委员会主席李兆霞评阅人2018年04月20日.博士学位论文铸钢件非对称环形焊缝残余应力分析与断裂性能研究专业名称：工程力学研究生姓名：夏杰导师姓名：靳慧教授本论文获国家自然科学基金重点项目（51438002）和国家自然科学基金面上项目（5

2、1578137）资助。RESEARCHOFWELDINGRESIDUALSTRESSESANDTHEFRACTUREPROPERTIESOFTHEDISSIMILARGIRTHWELDEDJOINTOFSTEELCASTINGSADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYJieXiaSupervisedbyProf.HuiJinSchoolofCivilEngineeringSoutheastUniv

3、ersity东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所（含万方数据）、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印

4、件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要铸钢件非对称环形焊缝残余应力分析与断裂性能研究摘要圆截面钢管结构以其建筑美学和优异的力学性能在大型空间钢结构和桁架公路桥等工程中得到越来越广泛的应用。焊接的钢管相贯节点难以适应现代钢结构的发展，其复杂的连接形式和应力集

5、中严重影响节点的可靠性和安全性。作为一种新型的连接形式，铸钢节点的应用可有效避免焊接节点处复杂的相贯线切割、节点区严重的应力集中和潜在的焊接缺陷；且结构形式简单、受力性能好、避免了复杂的焊缝形状。铸钢节点具有良好的适应性，可以按照实际需要设计成各种复杂形状，优化节点连接形式，改善节点连接区域应力分布，提高结构的安全可靠性。铸钢构件和主体结构之间的焊缝成为影响结构安全的关键区域。由于构件的制造与设计工艺不同，该处焊缝结构存在非对称的设计特点，即焊缝几何结构不连续性和焊接母材力学性能匹配性问题，而对接焊缝结构壁厚与母材力学性能的差

6、异分别是焊缝几何结构不连续性和强度匹配性问题的重要内容。本课题从铸钢节点与圆截面钢管结构之间的非对称环形焊缝结构出发，以非对称焊缝结构为主要研究对象，对影响焊缝结构力学行为的焊缝几何结构、焊件母材力学性能和材料固态相变方面主要因素，焊缝结构断裂性能和焊接多场耦合数值技术展开了研究。论文以不同工程背景下的非对称焊缝结构为对象，分别对存在焊缝结构几何不连续性和材料力学性能匹配性问题的焊缝结构进行了探讨，致力于该类型焊缝残余应力特性与断裂性能和计算焊接力学数值技术的研究。论文主要研究内容和成果如下：1.改进了焊接数值分析理论中焊缝材

7、料填充技术，基于二次开发技术实现移动焊接热源和焊缝材料填充过程的动态模拟，建立焊接数值分析模型，分析了不等厚板对接焊缝结构残余应力与焊接力学行为。在焊缝区设置低材料属性的“完全弹性单元”，参与变形计算，持有真实材料热力学属性的焊缝材料单元，随电弧的移动而实时激活参与焊接热力学分析，解决了经常出现的因电弧附近单元高温条件下畸变导致的计算中止问题。将建立的焊接数值模型应用于等厚与不等厚钢板对接焊缝结构焊接力学行为和残余应力分布特点的对比研究，对影响焊缝力学行为的几何不连续性问题进行探讨。研究表明，该类型焊缝的几何不对称性设计导致了

8、焊接残余应力的不对称分布，从而改变了焊缝结构的力学特性，厚度越大，热影响区的残余应力越小。2.异种钢材环形对接的多层多道焊缝结构残余应力特点与焊接工艺技术研究。通过焊缝材料单元激活顺序的调整和相应电弧移动时空坐标的动态设置，实现异种钢多层多道焊缝结构和焊接工艺技术的数值模拟研