發(fā)布時間：2020-07-22 23:04

【摘要】：燃料貯箱是火箭箭體的重要組成部分,焊接工藝是其零部件連接的主要技術(shù)手段。貯箱焊后幾何精度直接影響火箭制造質(zhì)量及其服役性能。新一代大型火箭貯箱由于尺寸的增大,造成結(jié)構(gòu)剛度顯著下降,焊接夾具松開后結(jié)構(gòu)翹曲變形更加明顯,嚴(yán)重影響制造精度。貯箱薄壁結(jié)構(gòu)剛度的下降加劇幾何非線性影響,同時熱力耦合作用下材料力學(xué)參數(shù)非均勻變化,這兩方面因素造成超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形難以精確預(yù)測;焊接過程涉及材料、工藝與微觀組織等眾多參數(shù),結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度及應(yīng)力場演化過程難以準(zhǔn)確描述,導(dǎo)致焊接變形的有效控制存在困難。因此,研究超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形精確預(yù)測方法,揭示焊接變形產(chǎn)生機理并進行變形控制具有十分重要的意義。針對貯箱薄壁結(jié)構(gòu)焊接過程,提出一種超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形精確預(yù)測方法,相對于固有應(yīng)變法,提高焊接變形預(yù)測精度。以攪拌摩擦焊接工藝為對象,建立夾具卸載前焊接應(yīng)力理論模型,研究焊縫區(qū)域的應(yīng)力梯度演化特性,揭示薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形形成機理。基于焊接應(yīng)力理論模型,建立非均勻應(yīng)力下超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)理論模型,提高焊接失穩(wěn)臨界載荷預(yù)測精度。最后,運用提出的超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測方法,進行火箭貯箱整體結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測,采用優(yōu)選的焊接工藝參數(shù),提高貯箱焊后幾何精度。主要研究工作如下:(1)超大薄壁結(jié)構(gòu)非線性焊接變形精確預(yù)測方法根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度劃分焊縫區(qū)域以考慮焊接“邊緣效應(yīng)”,同時引入非焊接區(qū)的彈性約束,采用有限變形理論對薄壁結(jié)構(gòu)局部焊縫區(qū)域的焊接過程進行數(shù)值計算,依據(jù)焊縫區(qū)域三維應(yīng)力分布特征,將應(yīng)力張量映射到整體結(jié)構(gòu),綜合考慮焊接塑性變形引起的材料彈性模量變化,提出超大薄壁結(jié)構(gòu)局部到整體的三維應(yīng)力映射方法。以攪拌摩擦焊接為對象,研究薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形特性,并實驗驗證了其精確性。與固有應(yīng)變法比較,該方法可以提高超大型薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測精度。(2)攪拌摩擦焊接作用下薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形機理研究針對攪拌摩擦焊接工藝,推導(dǎo)焊接過程軸對稱分布的溫度場函數(shù),根據(jù)焊縫區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)平衡條件和屈服準(zhǔn)則,求解焊接過程中的周向和徑向應(yīng)力,考慮冷卻過程的收縮作用,建立夾具卸載前結(jié)構(gòu)內(nèi)部焊接應(yīng)力理論模型,預(yù)測結(jié)果能夠有效反映焊接應(yīng)力“M”型分布特征。從理論上分析工藝參數(shù)對焊接應(yīng)力演化規(guī)律的影響,研究不同工藝參數(shù)下薄壁結(jié)構(gòu)厚度方向上的焊接應(yīng)力梯度分布,建立其與攪拌摩擦焊接變形之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,揭示薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形的產(chǎn)生機理。(3)非均勻焊接應(yīng)力下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界條件理論模型基于卸載前焊接應(yīng)力理論模型,定量研究了應(yīng)力分布規(guī)律,考慮焊接應(yīng)力非均勻分布特點,采用能量法建立大型薄壁結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)臨界條件理論模型,以切比雪夫多項式構(gòu)建不同邊界條件下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的撓度函數(shù),求解薄壁結(jié)構(gòu)直焊縫和環(huán)焊縫焊接失穩(wěn)臨界載荷。研究不同幾何尺寸和工藝參數(shù)下薄壁結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)臨界條件的變化規(guī)律,為焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接失穩(wěn)變形控制提供指導(dǎo)。(4)火箭貯箱整體焊接變形預(yù)測與分析針對火箭貯箱的三種典型焊縫結(jié)構(gòu),建立其整體結(jié)構(gòu)的焊接變形計算流程,基于提出的三維應(yīng)力映射方法進行貯箱整體的焊接變形預(yù)測,并與現(xiàn)場制造過程實測數(shù)據(jù)進行對比,驗證了新方法預(yù)測焊接變形的有效性。根據(jù)貯箱結(jié)構(gòu)焊接變形機理和失穩(wěn)臨界條件的分析,優(yōu)選結(jié)構(gòu)焊接工藝參數(shù),進行貯箱整體焊接變形預(yù)測與分析,為合理選取焊接工藝參數(shù),減小貯箱超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V46
【圖文】：

高[1,2]。燃料貯箱是運載火箭箭體結(jié)構(gòu)的重要部件，如圖的制造要求下，新一代運載火箭大型貯箱的制造難度顯了更高的要求[3,4]。隨著貯箱尺寸的不斷增大，結(jié)構(gòu)剛度過程中易出現(xiàn)尺寸超差問題，火箭貯箱作為空間封閉結(jié)形極易在終端集聚，影響整體結(jié)構(gòu)的綜合制造質(zhì)量。因大型貯箱的制造技術(shù)研究具有重要意義。是貯箱制造過程中的主要連接技術(shù)，焊接過程導(dǎo)致的結(jié)造精度[5]。因此貯箱結(jié)構(gòu)焊接變形的準(zhǔn)確預(yù)測具有重要結(jié)構(gòu)的焊接變形控制，降低產(chǎn)品的不合格率，提高生產(chǎn)剛度的下降加劇幾何非線性對結(jié)構(gòu)變形的影響，熱力耦非均勻變化，也會增加超大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形準(zhǔn)確預(yù)測部溫度及應(yīng)力場演化過程難以準(zhǔn)確描述，致使焊接變形大薄壁結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測存在明顯的局限，制造過程式保證焊接結(jié)構(gòu)的尺寸精度，導(dǎo)致貯箱制造質(zhì)量穩(wěn)定性

合理選取焊接工藝參數(shù)，提高貯箱整體焊后幾何精度。主要內(nèi)容的邏輯關(guān)系如圖1-3 所示。圖 1-3 論文組織框架Fig. 1-3 The framework of this dissertation

對試樣進行拉伸實驗獲得材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，實驗設(shè)備為 Instron-5966 型拉伸實驗機。首先將焊縫試樣和母材試樣拉伸至斷裂，獲得的加載過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2-6 所示。由圖可知，母材在彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線較為平滑，而焊縫試樣在彈性階段波動明顯。不同位置處焊縫試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 2-7所示，不同厚度上的試樣拉伸曲線存在明顯的差別。為了獲得準(zhǔn)確的彈性模量測量值，采用多項式擬合材料彈性階段的真應(yīng)力應(yīng)變曲線，將擬合函數(shù)外推至函數(shù)零點，求取該位置的斜率作為材料的彈性模量測量值[140]。加載至斷裂的試樣彈性模量結(jié)果列于表 2-1 中，焊縫區(qū)試樣的彈性模量略高于母材，在逐漸遠離上表層的過程中，試樣 1 到試樣 3 的彈性模量呈現(xiàn)下降趨勢。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李國偉;韓永全;陳芙蓉;李陽;;7075鋁合金變極性等離子弧焊接頭組織與性能[J];焊接學(xué)報;2015年10期

2 葉銳;楊繼東;彭小燕;徐國富;尹志民;;Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金攪拌摩擦焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能及局部腐蝕性能[J];中國有色金屬學(xué)報;2015年10期

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4 孫世p

本文編號：2766490