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用于二维分布残余应力场测量的渐进裂纹柔度法研究

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第一章 绪 论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 残余应力概述

1.2.1 焊接残余应力的产生机理

1.2.2 残余应力分类

1.3 残余应力测量方法的研究现状

1.3.1 残余应力测量方法、特点及局限性

1.3.2 裂纹柔度法测试技术及其研究进展

1.4 本文的主要工作

第二章 渐进裂纹柔度法理论研究

2.1 裂纹柔度法原理简介

2.2 渐进裂纹柔度法基本原理

2.2.1 方法理论模型

2.2.2 二元基函数的选取

2.2.3 渐进裂纹柔度函数的计算

2.3 反问题分析法在渐进裂纹柔度法中的应用

2.3.1 反问题分析法简介

2.3.2 利用Tikhonov正则化方法求解方程组

2.4 本章小结

第三章 渐进裂纹柔度法算法验证与不确定度分析

3.1 有限元仿真实验

3.1.1 高斯—多项式二维分布残余应力场

3.1.2 仿真切割实验模拟释放残余应力

3.2 基于渐进裂纹柔度法的二维分布残余应力场求解

3.2.1 L曲线法简介

3.2.2 正则化参数求解及残余应力场计算

3.2.3 计算结果分析与讨论

3.3 渐进裂纹柔度法方法不确定度分析

3.3.1 误差来源分析

3.3.2 不确定度分析

3.3.3 二元勒让德基函数最佳阶数选择

3.4 结论

3.5 本章小结

第四章 渐进裂纹柔度法的二元基函数研究及实验分析

4.1 双纯弯曲试件残余应力测量实验的数值仿真

4.1.1 双纯弯曲试件有限元模型

4.1.2 二维分布残余应力求解

4.2 二元基函数的选取及应用分析

4.2.1 二元切比雪夫多项式

4.2.2 单位脉冲函数

4.2.3 不同二元基函数对计算结果的影响

4.3 双纯弯曲试件残余应力测量实验分析

4.3.1 试件制备与有限元计算

4.3.2 渐进铣削加工裂纹

4.3.3 残余应力场的计算与分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢

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摘要

在深海水下油气输送系统中,管道运输是最重要的油气输送方式之一。油气管道通常是由焊接技术加工而成,存在于其内部的焊接残余应力分布复杂、均匀性差,会严重影响管道的力学性能,从而降低工件的使用寿命甚至危害输送系统安全。因此,通过实验方法准确测量工件内部全场残余应力的大小及分布,对于确保工件的安全性与稳定性都具有重要意义。 本文在介绍了焊接残余应力产生原因以及常规残余应力检测方法等基础上,基于传统裂纹柔度法,提出了一种改进的残余应力测量方法—渐进裂纹柔度法。与传统方法只能获得沿厚度方向一维分布的残余应力不同,该方法可以获得工件横截面内二维分布残余应力场。 首先,建立了该方法的理论模型,并利用有限元法对相应参数进行了求解;详细阐述了二元基函数的选取,以及利用Tikhonov正则化方法求解方程组的过程。 其次,利用已知二维分布残余应力场的仿真测量实验,对渐进裂纹柔度法进行了算法验证。测量结果显示横截面的大部分区域测量值与给定值相对误差小于5%,表明该方法具有较高的计算准确度。基于传统裂纹柔度法中的不确定度分析方法,建立了渐进裂纹柔度法的不确定度分析理论,并对仿真实验的结果进行了不确定度分析。分析结果表明,利用该理论可以获得二元基函数的最佳展开阶数,从而可以减小模型误差,提高计算精度。 然后,基于双纯弯曲仿真实验,通过选取三种二元基函数:二元勒让德多项式,二元切比雪夫多项式以及单位脉冲函数,研究了不同二元基函数对测量结果的影响。研究结果表明,二元勒让德多项式计算结果精度最高,二元切比雪夫多项式次之,单位脉冲函数计算误差最大;由于单位脉冲函数可以拟合任意分布形式的残余应力,因而适合测量复杂分布的残余应力场,尤其是在测量不连续残余应力场时更有优势。 最后,通过利用渐进裂纹柔度法测量了双纯弯曲试件内部残余应力场。对6061 铝合金进行了双纯弯曲处理,利用铣削加工方式实现了渐进切割,利用应变片得到了释放应变数据,并对计算结果进行了误差来源分析。该实验表明渐进裂纹柔度法具有工程可行性。 本文提出的渐进裂纹柔度法由于能测量二维分布残余应力场,应用范围较传统方法更为广泛,为残余应力测量提供了新方法。

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