10Ni5CrMoV鋼耐壓殼圈制造過程中應力場的有限元分析.pdf

1、耐壓殼圈是潛艇至關重要的一個部件，其制造質(zhì)量的優(yōu)劣及殘余應力狀態(tài)對潛艇的承載能力、服役壽命及抗腐蝕性能等都有重要影響。耐壓殼圈制造過程十分復雜，其來料板材需要經(jīng)過校平、滾彎、切割、焊接、矯圓等加工過程。每個加工過程不可避免地要在板材內(nèi)部留下殘余應力。殘余應力對材料機械性能有重大影響，高的殘余拉應力能導致殼體內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，降低殼體的抗拉強度和疲勞強度。因此，了解和掌握耐壓殼圈在制造過程中的應力狀態(tài)，對合理地設計、優(yōu)化耐壓殼圈參數(shù)及制造工藝

2、參數(shù)具有重要意義。
　　本文基于有限元虛擬技術，用大型工程軟件 MSC.Marc對10Ni5CrMoV鋼耐壓殼圈制造過程中的應力場進行分析。主要內(nèi)容包括：分析殼圈校平、滾彎、電弧氣刨、拼焊以及矯圓過程的應力場，并為耐壓殼圈制造工藝優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。
　　針對殼圈擺動焊接的特殊性，結合坐標變換法建立了擺動焊接的有限元模型，考察了電弧擺動對焊接應力場的影響。結果表明：電弧擺動提高焊道附近的溫度梯度，從而導致焊接橫向殘余應力

3、升高。結合擺動焊接的特點和能量守恒原理，提出了計算擺動焊接的簡化熱源模型。結果表明：簡化熱源模型能較為準確地模擬擺動焊接過程，并大大提高計算效率，從而為大型耐壓殼圈件擺動焊接的有限元分析提供了高效、準確的熱源模型。
　　建立了既考慮電弧熱作用又考慮材料刨削的電弧氣刨三維有限元模型，指出了模擬電弧氣刨“單元死活法”的最優(yōu)準則。研究結果表明：電弧氣刨后板材表面殘余應力場和平板對接焊的應力場較為相似，在靠近刨削溝槽處為高的殘余拉應力狀態(tài)

4、；電弧氣刨對板材溝槽附近應力場的影響分為兩個方面：材料的刨削釋放應力，而電弧熱作用產(chǎn)生拉應力，熱作用對于應力場的影響更為強烈。進一步的研究結果顯示，電弧氣刨對工件后續(xù)焊接應力場影響不大，因此，可以忽略電弧氣刨對殼圈焊接應力場的影響。
　　在分析了耐壓殼圈制造過程中兩個特殊工藝——擺動焊接及電弧氣刨對殼圈應力場的影響機理后，對耐壓殼圈制造過程中的應力場進行有限元分析。首先解決連續(xù)有限元虛擬分析的兩個難點問題：多工件連續(xù)分析的有限元結

5、果傳遞及不同加工工藝和有限元網(wǎng)格的匹配性問題。本文將單工件連續(xù)分析過程中傳遞有限元結果的“單模型映射法”擴展為“多模型映射法”，解決了連續(xù)有限元分析過程中多工件裝配時有限元結果的傳遞。基于網(wǎng)格重劃分思想，提出了不同加工工序間有限元網(wǎng)格的變換方法，解決了連續(xù)有限元分析過程中加工工藝和有限元網(wǎng)格的匹配性問題。
　　考慮板材的初始殘余應力，對殼圈來料板材校平、滾彎連續(xù)加工過程進行二維平面應變有限元分析。結果表明：校平過程對板材x方向殘余

6、應力影響很大，對z向的應力影響較小，校平過程使得板材表面應力狀態(tài)由壓應力向拉應力轉(zhuǎn)變。結合滾彎過程的數(shù)值模擬結果，對校平過程的必要性進行了分析，結果表明：校平過程對板材的應力應變影響完全被滾彎過程掩蓋，因此，建議將殼圈制造過程中的校平工藝省略。
　　采用擺動焊接的簡化熱源模型，忽略電弧氣刨應力場的影響，并將校平、滾彎后板材二維有限元結果擴展為三維的有限元結果作為初始條件，建立殼圈整體多層多道焊接有限元模型，考察殼圈焊后的應力分布情

7、況。結果表明：殼圈多層多道焊接導致板材表面近縫區(qū)存在較高的拉應力，且外表面的拉應力比內(nèi)表面的拉應力要高，對遠離焊縫區(qū)域的應力影響不大；焊接導致殼圈產(chǎn)生較大的縱向撓曲變形。
　　耐壓殼圈的焊接變形對其后續(xù)裝配和制造是不利的，因此需要對殼圈進行矯圓，本文最后分析了矯圓過程對于殼圈拼焊殘余應力的影響。結果表明：矯圓過程對于外模內(nèi)部區(qū)域位置的應力影響很大，使焊道內(nèi)部及其附近區(qū)域拉應力降低甚至轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯ΑＲ虼?，矯圓過程對殼圈應力場產(chǎn)生有利