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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%。

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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