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计算焊接力学与船舶海洋结构物先进建造

王江超  
【摘要】:船舶及海洋结构物作为特殊类型的焊接结构,其大型化和复杂化的特点,使得焊接变形会严重影响结构的尺寸精度以及建造周期;而多样化的风-浪-流复合工况载荷,也使得焊接残余应力会对结构的断裂以及疲劳等力学性能产生重要影响。针对焊接变形的预测,基于迭代子结构法和Open MP的并行计算技术,开发出高效的非线性瞬态热-弹-塑性有限元分析代码,可再现焊接过程的热-力学响应,以及轻量化薄板结构建造的焊接失稳变形;同时,以焊接固有变形作为焊接接头的力学载荷,应用弹性有限元计算,可快速地预测大型船体及海洋平台分段的焊接变形,且计算精度完全满足工程需求;阐述了焊接顺序、工装夹具、焊接坡口形式、局部温度调控以及反变形施加等工艺措施消除焊接变形的力学机理,通过有限元计算优化相关消除措施的工艺参数,且在实际焊接结构中进行了应用和验证。焊接接头的力学性能分析,是船舶及海洋结构物全寿命评估的重要基础。基于热循环曲线以及船舶海洋平台用钢的微观组织演化算法,获得焊后热影响区以及熔合区的金相组分比例,更为精确地预测焊接接头的硬度以及焊接残余应力数值;通过母材的应力-应变曲线测试和智能优化算法,得到表征材料断裂的GTN模型参数,进而阐述焊缝微观缺陷、焊接残余应力分布对GTN模型参数的影响机理,评估焊接接头以及焊接结构的断裂性能。

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