双金属复合管水压爆炸焊接研究

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薄壁、脆性、不易变形等特殊材料的双金属管复合管,因使用寿命长、成本低等特点被广泛应用到民用和工业领域。复合管的内衬管通常选用耐腐蚀、热膨胀率低等薄壁材料,外管选用耐冲击、耐压等不易变形材料。传统爆炸焊接工艺技术简单,是制备复合管的首选方法,但在焊接过程中易使复合管产生裂纹损伤等现象,水压爆炸焊接则可以避免复合管大变形从而提高焊接质量,同时可以提高操作的安全性。本文先从理论方面对双金属复合管水压爆炸焊接进行分析,然后根据爆炸焊接“窗口”和理论经验公式确立双金属复合管水压爆炸焊接参数,再运用软件ANSYS/LS-DYNA对其建立模型,研究和分析双金属复合管水压爆炸焊接的焊接效果和影响因素。所得的主要结论如下:(1)通过对小内径薄壁双金属复合管水压爆炸焊接模拟得到:基复管结合界面处的最大碰撞速度约为452m/s,压力约为9GPa,均满足爆炸焊接的下限要求,可以实现焊接;通过对大内径厚壁双金属复合管水压爆炸焊接模拟得到:基复管结合界面处的最大碰撞速度约为352m/s,压力约为6.8GPa,达到爆炸焊接所需的下限要求,同时复管的径向位移大于复管与基管之间的初始间距,说明基复管能够实现焊接。在模拟过程中复合管未出现断裂破损等现象,水层有效地保护了双金属管的完整性。(2)研究炸药量、水层的厚度和基复管之间的间隙这三个工艺参数对双金属复合管水压爆炸焊接的影响。结果表明:在其他条件相同的情况下,复管的最大飞行速度和压力随着水层厚度的增加而随之减小,但有效焊接时间随之增加,水层厚度应设置在1.0~2.0cm之间;复管的最大飞行速度和碰撞压力随着间隙的增加也随之增大,但间隙在0.01cm时不满足最小焊接速度和压力值,间隙在0.07cm以上时会导致复管加速距离增加从而导致复管越来越薄而产生拉断等现象,间隙大小应设置在0.03~0.05cm之间;复管的最大飞行速度和压力随着炸药直径的增加而随之增加,炸药直径应设置在0.4~0.6cm之间。(3)改变炸药起爆点和增加模型尺寸来研究边界效应的控制方法。结果表明:炸药在中部中心处起爆时,基复管结合界面上的速度和压力值均满足焊接下限要求,同时复管的径向位移大于复管与基管之间的初始间距,而且边界处没有出现反弹分层现象,可以有效控制边界效应;同样增加复管、炸药的尺寸也可以有效控制边界效应,提高双金属复合管的焊接复合率。
摘要第4-6页
Abstract第6-7页
1 绪论第10-16页
    1.1 研究背景及意义第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-14页
        1.2.1 复合管爆炸焊接的研究现状第11-13页
        1.2.2 水压爆炸焊接的研究现状第13-14页
    1.3 本文主要研究内容第14-16页
2 爆炸焊接理论窗口和工艺参数的选择第16-28页
    2.1 水中爆炸的基本理论第16-18页
        2.1.1 水中爆炸过程第16-17页
        2.1.2 水中爆炸冲击波理论第17-18页
    2.2 爆炸焊接窗口基本理论第18-20页
    2.3 爆炸焊接窗口参数的确定第20-23页
        2.3.1 声速限和流动限第20-21页
        2.3.2 碰撞速度上限第21-22页
        2.3.3 碰撞速度下限第22-23页
    2.4 爆炸焊接工艺参数的选择第23-26页
        2.4.1 装药量的选择第23-25页
        2.4.2 间隙的选择第25-26页
    2.5 爆炸焊接相关参数的计算第26-27页
    2.6 本章小结第27-28页
3 双金属复合管水压爆炸焊接第28-52页
    3.1 有限元仿真方法简介第28-29页
    3.2 小内径薄壁复合管水压爆炸焊接第29-41页
        3.2.1 材料模型及状态方程参数选取第29-31页
        3.2.2 有限元模型的建立第31-33页
        3.2.3 模拟过程及结果分析第33-41页
    3.3 大内径厚壁复合管水压爆炸焊接第41-49页
        3.3.1 有限元模型建立第42-43页
        3.3.2 模拟过程及结果分析第43-49页
    3.4 本章小结第49-52页
4 工艺参数对复合管水压爆炸焊接影响第52-58页
    4.1 水层厚度对水压爆炸焊接影响第53-54页
    4.2 间隙对水压爆炸焊接影响第54-55页
    4.3 炸药量对水压爆炸焊接影响第55-56页
    4.4 本章小结第56-58页
5 水压爆炸焊接边界效应控制方法第58-64页
    5.1 改变起爆点第58-60页
    5.2 增加模型尺寸第60-62页
    5.3 本章小结第62-64页
6 结论与展望第64-66页
    6.1 结论第64-65页
    6.2 展望第65-66页
参考文献第66-72页
攻读硕士学位期间取得的研究成果第72-73页
致谢第73-74页
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