钛合金是深海大型载人运载平台的常用材料,其焊接部位的疲劳性能不容忽视.本研究针对国产TA31钛合金对接接头和承载十字接头开展疲劳试验,用热点应力法对其疲劳强度进行评定.采用国际焊接协会推荐的方法进行数据处理,分别做出名义应力和热点应力的S-N曲线并进行对比.在此基础上引入缺口应力法,考虑板厚对焊接接头疲劳性能的影响,并提出板厚修正的公式,可为钛合金结构的疲劳评估和抗疲劳设计提供参考.
采用光谱仪探测CO2激光深熔焊接等离子体及光纤激光焊接羽辉的光谱信号,分别利用波尔兹曼图法和相对强度法计算获取CO2激光焊接等离子体的温度,并以较优的一种方法计算光纤激光羽辉温度.结果发现,对于同一个等离子体,采用相对强度法时,选择不同谱线获得的等离子体温度差异很大;当采用波尔兹曼图法时,使用不同谱线组合获得的等离子体温度非常接近.通过对两种方法获得结果的分析,认为采用波尔兹曼图法计算得到的等离子体温度精度更高,更具有可比性.而后采用波尔兹曼图法计算羽辉温度,发现光纤激光焊接羽辉辐射的谱线中连续谱强度不可忽略,与等离子体温度的计算略有不同.
为获得性能较好的焊接接头,在MATLAB App Designer开发环境下,基于低合金钢焊接CCT图,开发了一款能够反映焊接工艺参数-焊接冷却时间-焊接热影响区组织及性能的App.App中建立了"焊接工艺参数""焊接材料及CCT图""组织比例、金相图、硬度"和"导入温度场数据"四个主要模块.App以焊接CCT图为基础,采用插值法计算和预测焊接热影响区的组织比例、金相图和硬度,并以15MnVR钢为例进行计算分析.
某高压空冷器进气口换热管和管板胀管焊接处发生泄漏事故,通过宏观观察、机械拉断断口及裂纹面分析、金相组织分析、显微硬度测试、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线能谱分析(EDS)等分析方法对泄漏失效处及关键位置材料进行检测和分析.研究发现高压空冷器进出口失效位置的裂纹均是由管箱内壁接头处向胀接间隙表面开裂,并且裂纹面能谱分析结果发现大量的S元素存在.结合管道受力情况、断口形貌、元素分析判定本次失效的模式为硫化氢应力腐蚀开裂(SSCC).管内硫化氢为腐蚀源,在焊接残余应力集中和外载结构应力的协同作用下,焊趾发生SSCC开裂,裂纹沿着熔合线扩展至胀管外壁,发生泄漏失效.
焊接接头处往往存在较高的残余应力,使得焊接接头成为焊接结构的薄弱区域.而超声冲击处理可以有效改善焊接接头力学特性,在各领域得到了广泛应用.本研究主要介绍超声冲击技术在降低残余应力和提高接头疲劳性能方面的研究情况,以及随焊超声冲击技术的最新相关研究和应用.
在焊接质量分析及检测的智能化应用研究创新过程中,需要利用工业机理模型和分析方法进行可视化、低代码化和智能化构建.焊接工艺低代码可视化分析提供了一种基于机理模型的信号分析方法,可以帮助船舶制造行业解决焊接过程中的质量问题.该软件包括U-I相图、特征分析和短路专属分析等分析功能,以船舶发动机焊接为案例进行实证分析,结合U-I相图等由用户自主构建焊缝质量评分体系,将其封装为AI模型实现实时质量评分,验证了该软件对焊接质量分析和评估的有效性,提高了焊接质量评价效率和准确性.
介绍了船体结构中含缺陷的焊接接头完整性评估以及疲劳寿命预测方法,对结构完整性评估的K准则、COD准则、J积分准则、SINTAP/FITNET安全性评定方法以及评定流程、国内外标准进行介绍.并对焊接接头的疲劳强度影响因素,如平均应力、残余应力以及接头几何形状应力集中等进行了分析;介绍了焊接接头疲劳寿命预测的常用方法,如基于名义应力的评估方法、基于断裂力学的评估方法、基于损伤力学的评估方法以及其它疲劳评估方法等.此外,还对基于断裂力学法建立的焊接残余应力与疲劳裂纹扩展寿命之间的函数关系进行了介绍,该方法实现了对含残余应力的焊接结构疲劳寿命的精确预测.
采用旁路耦合三丝间接电弧焊及熔化极活性气体保护焊(MAG)两种焊接工艺对12 mm厚Q345船用钢进行对接焊试验,对比分析了两种焊接工艺的焊接能耗及效率、力学性能及接头组织.结果表明,在总焊接电流为420 A、焊速为600 mm/min条件下,采用旁路耦合三丝间接电弧焊实现了单道焊缝良好成形,接头平均抗拉强度为505 MPa;而单MAG焊在总焊接电流700 A条件下,采用三层三道焊工艺,实现了良好的焊缝成形,接头的平均抗拉强度为534 MPa.本试验条件下,旁路耦合三丝间接电弧焊的焊接能耗仅为单MAG焊的63％,而焊丝熔敷速率为单MAG焊的2.76倍.
分别采用激光焊和激光填丝焊2种方法对4 mm厚的Mg-Al-Zn合金进行焊接,并对镁合金接头的腐蚀机理进行了探讨.采用极化曲线测量、电化学阻抗谱测试、SEM观察和EDS分析等方法,对获得的激光焊接头(LBW)和激光填丝焊接头(LBW-F)在3.5％NaCl溶液中的腐蚀行为进行研究,并与母材(BM)的耐蚀性进行对比,结果表明,腐蚀产物主要由Mg(OH)2和碳酸盐组成,3种试样的耐蚀性由高至低为:LBW接头＞LBW-F接头＞BM母材.
随着船舶行业装备技术的迅速提升,焊接机器人逐步成为加工主力.面对日益增长的生产需求,新一代工业机器人逐步暴露出智能化水平不足、易用性不高的缺点,使得企业转型陷入困局,船舶行业发展亟需智能且易用的焊接机器人.本研究设计了一种焊接机器人免编程控制系统,通过优化最近点迭代算法,实现了亚毫米级定位精度.
针对船体局部结构密集焊缝的疲劳问题,通过模拟实际服役环境,开展两种局部密集焊缝结构的工程型疲劳试验和结构应力仿真计算,并提出改善密集焊缝结构疲劳性能的方法.研究结果表明:海水腐蚀环境下,随着相邻焊缝间距的减少,结构峰值应力增大,密集焊缝结构的疲劳寿命降低;当相邻焊缝距离较近不可避免时,采用堆焊熔修处理可有效提高其疲劳性能.
为提高钛合金焊接效率和焊接精度,采用TA2钛合金双激光同步对称焊接技术,对30 mm厚板TA2钛合金试板开展双激光同步对称焊接工艺,并对焊后试板进行接头成形质量、焊接变形、接头金相组织形貌、力学性能和工艺性能研究.结果表明:30 mm厚板TA2试板焊接接头表面成形良好,呈银白色,焊接变形较小;焊缝低倍金相组织呈块状分布,内部无明显缺陷,无贯穿整个焊缝的树枝状柱状晶,焊缝和热影响区微观金相组织均为锯齿状α相,母材为细小的等轴α相,接头心部焊缝晶粒比近表面焊缝粗大;焊接接头整体平均抗拉强度略低于近表面和心部接头抗拉强度,而近表面和心部焊缝屈服强度高于母材的,塑性低于母材的;焊接接头在近表面和心部区域冲击性能差距较大;弯曲试样均合格,焊接接头工艺性能良好.这表明厚板钛合金双激光同步对称焊接技术在高效高精度焊接方面具有良好的工程化应用前景.
疲劳损伤是引起深水平台结构破坏的主要原因,针对海上常用钢EH36进行对接和T型焊接接头的疲劳寿命测试,证明接头形式是影响疲劳寿命的主要原因.同时焊接接头的疲劳寿命具有强烈的疲劳分散性,随着应力范围的降低,疲劳寿命的分散程度逐渐增大,T型焊接接头的疲劳分散程度大于对接焊接接头的.通过DIC对焊接接头疲劳行为进行监测,结果发现,T型焊接接头表现出了更大的应力集中程度和应力梯度效应,焊趾形貌和应力范围是影响焊接接头疲劳寿命分散程度的主要原因.在热点疲劳寿命评估中,0.4 t～1.0t外推点表现出更为精准和有效的计算结果,但是热点应力具有一定的网格敏感性,疲劳设计时需要根据推荐的网格大小进行划分.
为了研究大规模管板群缝激光焊接变形规律与调控技术,建立了考虑材料高温性能和力学性能参数的12 mm厚Q235多孔管板群缝模拟件,设计了由内而外对称焊接以及从上而下非对称焊接的5种路径,利用焊接工艺模拟软件InteWeld仿真研究了不同焊接的焊接路径对焊接变形的影响规律.结果表明,从上而下逐一按顺序焊接的管板焊接路径其平均变形量以及轴向变形量最小.
现代声呐探测技术的提高对水下吸声构件在低频声波的吸收性能提出了新的要求,而现有基于空腔、颗粒散射、声子晶体等结构的水下构件仍难以达到良好的吸声效果.针对以上需求,本研究设计了基于颗粒阻尼结构的水下吸声构件,通过在水下吸声阻尼聚合物中加入颗粒阻尼单元高效耗散机械能.通过离散元模型计算出颗粒材质、填充率、尺寸等参数对于单元耗散能量的影响,并进一步探究了颗粒阻尼单元在声激励下的运动规律与能量耗散效果,对于改进水下吸声构件以及提升其吸声效果提供一种参考.
通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究,进行了动态响应分析和损伤模式分析.建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型,运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程,采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线,对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌.结果表明,层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效,弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好.
通过对多层碳纤维毡(CFF)/环氧树脂(EP)复合材料的厚度、碳毡含量以及碳黑填充的设计,制备了多种多层结构碳纤维毡复合材料,研究了多层碳纤维毡复合材料的屏蔽性能.结果表明:随着厚度的增加,多层结构复合材料的屏蔽效能呈增高趋势;随碳毡含量的升高,多层结构复合材料的单位厚度屏蔽效能逐渐增高;碳黑(CB)的添加能进一步提升材料的屏蔽效能,碳黑填充位置的不同对多层结构复合材料的屏蔽效能影响较大;在4.00 GHz时,CFF-CB-GFF结构的屏蔽效能可达到约71 dB,可作为优良的结构功能一体化屏蔽材料.
自动铺放技术作为一种先进的复合材料成型技术,广泛适用于加工形状复杂的复合材料构件.本研究以压辊压实量、角度偏差以及曲率半径作为评价指标,通过对不同轨迹规划算法进行对比,选取适用于船用封闭曲面的轨迹规划算法.以重叠因子为约束条件对轨迹进行满覆性分析,提出一套适用于复杂曲面的增减纱算法,实现重叠与间隙的均匀分布.基于船用封闭曲面结构提出分区轨迹优化算法,降低了断纱数量.最后在封闭曲面上进行仿真与实验分析,验证算法的正确性.
对10 mm厚CuNi90/10合金进行电子束焊接试验.液态金属表面张力较小,导致焊接工艺窗口较窄,较大的热输入将导致正面下凹,单面焊双面成形效果不如钛合金的;采用优化的参数可实现正面轻微下凹,同时保证背面成形基本良好.按照优化参数进行试板电子束焊接,并进行GTAW盖面.对焊接试板进行了射线检测和渗透检测,均满足NB/T 47013-2015的Ⅰ级标准;对焊接接头按照NB/T 47014-2011进行了力学、工艺性能测试,测试结果均满足标准要求.电子束焊接区域柱状晶特征明显,焊缝冲击性能优良,冲击功可达200 J以上,同时焊缝区硬度相比母材的有所下降.电子束焊接区域为典型的大深宽比形貌,焊缝区为枝晶α,热影响区为孪晶α;富镍α表现为较亮形貌,富铜α表现为较暗形貌.
随着潜艇工作深度不断增加,含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板因其高强度和声振性能可设计性强的优良特性逐渐被应用于外部壳体结构.为建立一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板水下声振计算方法,研究高潜深环境下双面高静水压对围壳等内部充水结构声振性能的影响,本研究利用多层次均质化等效方法将含增强柱和空腔的水下复合材料夹芯板芯层等效为正交各向异性材料,得到均质夹芯板模型,然后基于应变能密度相等将横向双面静水压等效为面内均布载荷,对基于LW理论模型的均质夹芯板的水下振动方程进行修正,进而提出了一种考虑双面静水压的含点阵增强柱和空腔的复合材料板水下声振计算方法.最后,利用数值计算方法对本研究方法的准确性进行了验证,结果表明理论解与数值解吻合较好.该方法可以较准确的预报双面静水压对含点阵增强柱和空腔的复合材料夹芯板声振性能的影响.
