《焊接結構力學》課程教學大綱
課程中文名稱：焊接結構力學
課程英文名稱：mechanics of welding structure
總學時：45 講課學時：41 習題課學時：1
實驗學時：4 上機學時：0
授課物件：材料科學與工程學院焊接技術與工程系
先修課程：焊接電弧及弧焊方法材料力學金屬力學效能
一、課程教學目的
本課程是焊接技術與工程專業本科生的專業基礎課,內容涉及到焊接傳熱學和焊接結構兩大方面.目的是通過焊接熱過程、焊接接頭和構件的應力與變形過程的分析，使學生了解焊接結構的特點、應用和可能出現的問題及其原因，從而為後續專業課程的學習奠定良好的基礎。
二、教學內容及基本要求
教學內容
緒論焊接性分析,構件焊接性(材料—焊接適應性,設計—焊接可靠性,製造—焊接可行性)；焊接結構概述,特點,優點,應用範圍；本課程的內容範圍,結構和學習要求
第一章焊接的熱場與流場
第一節基本原理
焊接溫度場的意義,焊接熱源的型別,焊接熱源的功率;熱傳導定律,輻射傳熱定律,對流傳熱定律,導熱微分方程序,初始條件和邊界條件,材料熱物理性質的特徵值.幾何尺寸和熱輸入的簡化模型:必要性,幾何尺寸簡化,熱源空間尺寸形狀簡化,熱源作用時間因素的簡化,模型選擇應考慮的問題,模型求解(數值解)與試驗結果的比較.
第二節整體溫度場
固定瞬時熱源作用下的溫度場;連續固定和移動熱源下的溫度場;高斯熱源分布;熱飽和與溫度均勻化;有限尺寸影響;有限元法簡介.
第三節焊接熔池的熱場與流場
焊接電弧熱源;熱平衡與熱流密度,熔化焊傳熱模型,電極熔化,母材熔化,熔化金屬與母材的相互作用,焊接熔池模型,焊接電弧模型,表面張力模型,焊縫形狀模型,小孔模型.
第四節其它焊接過程的溫度場
火焰加熱時的溫度場,電阻加熱時的溫度場,摩擦生熱及溫度場
第五節焊接熱迴圈對母材的影響
熱影響區顯微組織的轉變,時間溫度轉變圖,顯微組織轉變模型,單道焊時熱迴圈的影響,多道焊時熱迴圈的影響.
第二章焊接應力
第一節內應力的產生
內應力及其產生原因,彈性熱應力場,彈塑性熱應力場,熱力學基本方程,材料熱物性和力學特徵值,焊接引起的內應力.
第二節收縮力與應力源模型
縱向收縮力模型,橫向收縮力模型,模型在圓筒和球殼上的應用,殘餘應力源模型.
第三節焊接殘餘應力
焊接殘餘應力的分布,焊縫縱向殘餘應力,焊縫橫向殘餘應力,焊接相變贏利,拘束焊接贏利,點焊,噴塗及火焰切割時的殘餘應力;焊接殘餘應力的影響,殘餘應力的測量.
第四節減少殘餘應力的措施
必要性,設計措施,選材措施,製造工藝措施(包括焊前措施,焊時措施,焊後措施)
第三章焊接變形
第一節焊接變形的一些基本概念
自由變形,外觀變形和內部變形,焊接引起變形的種類,產生原因.
第二節焊接殘餘變形
縱向收縮變形及撓曲變形,橫向收縮及坡口橫向偏移,角變形,錯邊變形及扭曲變形,波浪變形.
第三節焊接變形的測量與矯正
焊接過程中應變與位移的測量,焊後變形測量.預防焊接變形的措施,焊接過程中變形的調整控制措施,焊後矯正焊接變形的方法.
第四章焊接接頭
第一節焊接接頭的一般效能
焊接接頭的基本概念,焊接接頭的不均勻性及其力學行為,焊縫及接頭的基本形式,分類及表示方法.
第二節焊接接頭的工作應力分布工作效能
應力集中的概念,電弧焊接頭的工作應力分布和工作效能,接觸焊接頭的工作應力分布和工作效能,鉚焊聯合結構與鉚焊聯合接頭.
第三節焊接接頭靜載強度計算
工作焊縫與聯絡焊縫,強度計算的假設,電弧焊與接觸焊接頭的靜載強度計算,焊縫許用應力.
第五章焊接結構型別及其力學特點
第一節焊接結構的基本型別
焊接結構的各種分類方法及相應型別的特點,焊接結構的合理性分析.
第二節焊接結構的力學特徵
桁架結構及其力學特徵,板殻結構及其力學特徵,實體結構及其力學特徵.
第三節焊接結構例項分析
橋梁,焊接容器,工具機機身,旋轉體,薄板結構等.
第六章焊接結構的脆性斷裂
第一節金屬材料的脆性斷裂
第二節脆斷事故及研究脆斷的意義,脆斷的形態特徵及影響因素,脆性斷裂的能量理論,材料斷裂的評定方法.
第二節焊接結構的特點及其對脆斷的影響
剛度大,整體性強的特點,焊接結構製造工藝特點
第三節焊接結構抗開裂效能與止裂效能的評定方法
脆性斷裂的產生,擴充套件與停止,焊接接頭抗開裂效能試驗,止裂試驗.
第四節預防焊接結構脆性斷裂的措施
正確選材,採用合理的焊接結構設計,用斷裂力學方法評定結構安全性.
第七章焊接接頭和焊接結構的疲勞強度
第一節材料的疲勞斷裂
研究的意義,疲勞斷裂的過程和斷口特徵,疲勞限和疲勞強度的表示法.
第二節焊接接頭疲勞強度的計算
第三節斷裂力學在疲勞裂紋擴充套件研究中的應用
裂紋的亞臨界擴充套件,疲勞裂紋擴充套件特性,疲勞裂紋擴充套件壽命的估算.
第四節影響焊接接頭疲勞強度的因素和改進措施
應力集中的影響及降低應力集中的措施,近縫區金屬效能變化的影響及材料機械效能的改善,殘餘應力的影響及殘餘應力場的調整,缺陷的影響及特殊保護措施.
第八章焊接結構設計
第一節焊接結構設計的一般原則
焊接結構設計的一般思路,焊接結構的合理性分析,結構強度,製造工藝及經濟性等,焊接結構設計中應注意的問題.
第三節焊接結構設計例項：焊接機身,壓力容器,薄板結構等.
本課程的基本要求是：
1、了解和掌握焊接熱過程的分析和計算方法；
2、了解焊接應力和變形產生的原因及調整和控制應力與變形的方法；
3、掌握焊接接頭承載能力的計算方法；
4、了解焊接結構設計中應注意的問題。
三、課程負責人示範性教學設計
1. 內容體系
（1）教學定位
本課程是焊接技術與工程專業的一門專業課程，又是一門多學科並且學科交叉的課程。需要結合先修課程，如理論力學、材料力學、金屬力學效能、金屬學及熱處理等知識，加深對本課程的理解和掌握。通過本課程的學習，為今後從事焊接技術與工程等方面的工作和研究奠定必要的基礎。
（2）知識點與學時分配
一．焊接結構力學總論 2學時
焊接結構概述介紹焊接結構的特點、焊接結構的應用範圍、結構焊接性分析
二．焊接的熱場與流場 13學時
焊接的熱場與流場基本原理，包括電弧焊熱過程概述、焊接熱源、傳熱的基本原理、焊接熔池的數學模型；焊接整體溫度場，瞬時固定熱源溫度場，連續移動熱源作用下的溫度場，高斯分布熱源作用下的溫度場；焊接熱迴圈及其主要引數，焊接熱迴圈引數的計算，多層焊接時的熱迴圈，焊接熱迴圈對母材的影響；熔化區域的區域性熱作用，熱平衡與熱源密度，電極的加熱與熔化；其它焊接過程的溫度場。
三．焊接應力與變形 14學時
本課的核心內容介紹內應力的產生，熱應變與相變應變；焊接應力與變形的形成過程，包括簡單桿件的應力與變形，不均勻溫度場作用下的應力與變形，焊接引起的應力與變形；焊接殘餘變形內容有焊接殘餘變形的分類，縱向收縮變形及其引起的撓曲變形，橫向收縮變形及其引起的撓曲變形，角變形，其它變形；焊接殘餘應力部分包括，焊接殘餘應力的分布，焊接殘餘應力的影響，殘餘應力的測定與調節；減小焊接殘餘應力與變形的措施。本部分內容完成後，進入焊接力學試驗部分，該部分包括a.焊接變形的測試與校正，b.
焊接殘餘應力與測試
四．焊接接頭 4學時
本部分內容包括焊接接頭的不均勻性及其力學行為、焊接接頭的工作應力分布和工作效能、應力集中、電弧焊接頭工作應力分布和工作效能、焊接接頭強度計算。
五．焊接結構的脆性斷裂 4學時
本部分介紹的知識有：金屬材料的斷裂及其影響因素、金屬材料的斷裂形態特徵、影響金屬脆斷的主要因素、金屬材料脆斷的能量理論、材料斷裂的評定方法、轉變溫度法、斷裂力學方法、焊接結構的特點及其對脆斷的影響、焊接結構抗開裂效能與止裂效能的評定方法、脆性斷裂的引發,擴充套件和停止、焊接結構的兩種設計原則、抗開裂效能試驗、止裂試驗，預防焊接結構脆斷的措施，斷裂力學評定安全性。
六．焊接接頭和結構的疲勞強度 4學時
本部分內容是比較重要的，密切與實際工程相聯絡，講解的重點在疲勞斷裂過程和斷口特徵，焊接結構的疲勞限表示法，焊接接頭疲勞強度計算；斷裂力學在疲勞裂紋擴充套件研究中的應用，裂紋的亞臨界擴充套件，疲勞裂紋擴充套件特性da/dn-⊿k 曲線；疲勞裂紋擴充套件壽命估算；影響焊接接頭疲勞強度的因素，應力集中的影響，近縫區金屬效能變化的影響，殘餘應力的影響，缺陷的影響；提高焊接接頭疲勞強度的措施，包括降低應力集中，調整殘餘應力場，改善材料的機械效能，特殊措施。
2. 教材的選擇
《焊接結構》田錫唐主編機械工業出版社
《焊接熱效應》d.拉達伊著機械工業出版社1997（輔助）
《焊接熱過程計算》雷卡林著中國工業出版社（輔助）
3. 課程的講授
（1）重點及難點
焊接熱迴圈引數的計算，多層焊接時的熱迴圈，焊接熱迴圈對母材的影響；熔化區域的區域性熱作用，熱平衡與熱源密度，電極的加熱與熔化；焊接應力與變形的形成過程，焊接殘餘應力的影響；焊接結構的特點及其對脆斷的影響；焊接結構的疲勞限表示法，影響疲勞強度的因素，即應力集中的影響，近縫區金屬效能變化的影響，殘餘應力的影響。
（2）課程中應該注意的授課方法
首先需要結合先修課程，如理論力學、材料力學、金屬力學效能、金屬學及熱處理等知識，加深對本課程的理解和掌握；其次要結合大量典型具體工程例項，例如km6工程,「神舟」號飛船返回倉製造過程中的焊接應力與變形控制等，幫助學生加深理解理論知識，同時提高學習熱情和興趣。
4. 作業等
根據教學進度和學生理解情況，針對重點和難點部分向學生布置約5次作業，以此了解學生對所學內容的掌握情況，及時發現和解決相關問題。
5. 考試與課程評定
本門課程為考查課，平時及期中佔30%，作業佔10%，實驗佔10%，期末考試佔50%
實驗專案明細表
注：實驗要求填寫：必修或選修
焊接結構課程教學大綱
一 課程的基本資訊 適應物件 本科層次 課程 學時分配 理論學時36 賦予學分 2 先修課程 工程材料及應用 工程力學課程 後續課程 焊接檢驗 金屬材料焊接 二 課程性質與任務 本課程是一門專業選修課,其任務是使學生能熟悉焊接結構使用過程中的力學行為與特徵，能從力學角度分析材料選擇的合理性，結構的工...
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