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焊接残余应力对LNG船液舱舱壁疲劳寿命的影响
作 者: 刘文
导 师: 刘玉君;赵东升
学 校: 大连理工大学
专 业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 焊接残余应力 疲劳 晃荡载荷 Marc子程序 激光焊 TIG焊
分类号: U671.83
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
天然气储量丰富而且是一种优质、清洁的能源,其开发和应用在能源工业中的地位越来越重要,因此其运输工具液化天然气(Liquefied Nature Gas, LNG)船的设计制造也越来越得到重视。薄膜型LNG船的液货舱内壁Invar钢的焊接是其制造的关键技术之一,焊缝处的可靠性对结构安全性有重要的影响。采用有限元计算软件MSC.Marc计算了Invar钢TIG焊接的温度场和残余应力场。计算结果表明:温度场的云图分布显示热源模型与双椭球热源类似,且热源中心温度最大值达到1619℃;应力场出现在焊缝及其附近区域,等效残余应力最大值258Mpa,略小于材料屈服281Mpa,纵向残余应力最大值335Mpa。采用高斯旋转体热源模拟激光焊接热源,并使用Visual Fortran6.6编写了相应的子程序。采用有限元计算软件MSC.Marc计算了Invar钢薄膜激光焊接温度场及残余应力场。计算结果表明,两种焊接方法所产生的等效残余应力值分别为255Mpa和258Mpa,相差不大;而两种方法产生的纵向残余应力值分别为295Mpa和334Mpa,激光焊接产生的纵向残余应力值比TIG焊的小39Mpa。同时激光焊接残余变形要比TIG焊的焊接残余变形小71.1%。采用中国船级社(CCS)的相应规范计算了LNG船液货舱舱壁的液体晃荡压力,并计算了焊接残余应力与液体晃荡压力耦合作用下的疲劳载荷,利用S-N曲线法计算了TIG焊接时焊缝处的疲劳寿命,结果表明TIG焊接残余应力使Invar钢焊接薄板的疲劳寿命减少了77.6%;和TIG焊接方法相比,激光焊接则使Invar钢焊接薄板的疲劳寿命提高72.3%。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-8 第1章 绪论 8-15 1.1 当前LNG市场背景 8-9 1.2 国内外研究现状 9-11 1.2.1 Invar钢焊接国内外研究进展 9-10 1.2.2 晃荡载荷国内外研究进展 10-11 1.3 主要LNG船型介绍 11-12 1.3.1 独立球型LNG船 11-12 1.3.2 薄膜型LNG船 12 1.3.3 自持式棱型LNG船 12 1.4 计算模型所用GTT No.96液舱结构简介 12-13 1.5 本文主要研究内容 13-15 第2章 Invar钢板的TIG焊接模拟 15-30 2.1 Invar钢的材料性能 15-16 2.1.1 Invar钢的化学元素组成 15 2.1.2 Invar钢的热膨胀特性 15-16 2.1.3 Invar钢的其他性能参数 16 2.2 Invar钢的TIG焊焊接 16-29 2.2.1 有限元模型介绍及网格划分 16-17 2.2.2 焊接热源参数的设置 17-19 2.2.3 Marc生死单元技术 19 2.2.4 Marc热分析理论 19-21 2.2.5 Marc焊接过程对材料物理性能参数处理 21 2.2.6 有限元模型的边界条件及求解设置 21-22 2.2.7 TIG焊焊接温度场及应力场分析 22-29 2.3 本章小结 29-30 第3章 Invar钢的激光焊焊接 30-46 3.1 激光热源简介 30-31 3.2 Marc软件激光热源的二次子程序开发 31-32 3.3 激光焊焊接温度场和应力场分析 32-39 3.4 Invar钢板的激光焊接和TIG焊接结果对比 39-45 3.4.1 温度场对比 39-41 3.4.2 应力场对比 41-44 3.4.3 焊接残余变形对比 44-45 3.5 本章小结 45-46 第4章 晃荡载荷及CCS规范流程 46-61 4.1 晃荡载荷分析 46-47 4.2 晃荡载荷的计算 47-52 4.2.1 液货压力范围和压力范围的平均值 47 4.2.2 液货作用在舷侧、船底及舱壁上的压力 47-52 4.2.3 本文选用LNG实船液舱晃荡载荷计算 52 4.3 疲劳分析理论 52-56 4.3.1 疲劳基本理论 53-54 4.3.2 S-N曲线的数学表达 54-55 4.3.3 平均应力对疲劳的影响 55-56 4.3.4 设计S-N曲线的选取 56 4.4 舱壁薄板的疲劳寿命分析 56-60 4.4.1 无焊接残余应力时舱壁薄板的寿命 56-58 4.4.2 TIG焊接残余应力对舱壁疲劳寿命的影响 58-59 4.4.3 激光焊接残余应力对舱壁疲劳寿命的影响 59-60 4.5 本章小结 60-61 结论 61-62 参考文献 62-65 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 65-66 致谢 66-67
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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶建造工艺 > 造船焊接与其他连接工艺 > 焊接工艺
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