反应堆压力容器内环形件焊接变形及应力仿真

摘要

反应堆压力容器（RPV）通常采用锻造的方式成型，但随着反应堆朝着小型化方向的发展，焊接成为了反应堆制造的重要手段之一。焊接过程中不可避免的残余应力和残余变形容易造成焊接接头断裂、破坏，影响结构的强度和装配精度。本文以反应堆压力容器内环形件为研究对象，主要利用数值模拟方法，结合试验验证，确定了一种适用于大厚度焊接件残余应力预测的高效数值方法，并从模型维度、几何尺寸和材料模型等方面对残余应力状态的影响进行了分析。本研究对于核电设备的设计制造有着重要的理论指导意义和工程应用价值。　　利用有限元二维轴对称模型并结合给定温度热源模型计算了筒体支撑环结构的焊接和热处理过程。结果表明，数值计算结果与试验值吻合较好，焊接结构的表层焊缝表现出较高的残余应力，经热处理后，残余应力基本上可以得到完全消除，而与中间热处理次数无关。对比三维模型和二维轴对称模型，结果无明显差异；堆焊层交界面应力较大，且热处理作用不大。　　利用上述有限元方法进行了大量的数值计算，发现材料种类、材料本构模型、焊接顺序和结构尺寸等因素均会对残余应力和残余变形产生一定影响。在此方法的基础上使用焊道集中算法可以进一步提高计算效率，同时保证计算精度。工作载荷耦合焊接残余应力会对结构应力状态产生影响，但仍满足强度设计要求。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 焊接残余应力概述

1.2.1 焊接残余应力产生机理

1.2.2 残余应力影响

1.3 残余应力数值模拟研究现状

1.3.1 残余应力数值模拟

1.3.2 焊后热处理

1.3.3 焊接高效计算方法

1.4 本文的工作和研究意义

1.4.1 本文工作

1.4.2 研究意义

第2章 筒体支撑环焊接残余应力试验及有限元模型

2.1 支撑环筒体焊接结构

2.2 焊接及热处理工艺

2.2.1 焊接工艺

2.2.2 热处理工艺

2.3 残余应力测量

2.3.1 小孔法测量残余应力

2.3.2 测量步骤

2.3.3 应力测试点布置

2.4 有限元计算过程

2.4.1 有限元模型

2.4.2 材料性能参数

2.4.3 热源模型选择

2.4.4 边界条件

第3章 筒体支撑环数值模拟

3.1 焊接计算结果

3.1.1 产品件残余应力

3.1.2 变形分析

3.1.3 三维模型与二维模型结果对比

3.2 残余应力演化过程

3.3 中间热处理的影响

3.4 堆焊层应力计算

3.5 本章小结

第4章 敏感性因素分析

4.1 材料的影响

4.1.1 异种材料焊接

4.1.2 材料本构模型

4.2 焊接顺序的影响

4.3 结构尺寸的影响

4.3.1 支撑环厚度

4.3.2 筒体厚度

4.3.3 筒体内径

4.4 焊道集中高效算法

4.5 残余应力与服役工况耦合分析

4.5.1 计算过程

4.5.2 计算结果

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢