这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

主要作者及机构
本研究由Yong Liu（哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院）、Ze Chen（哈尔滨工业大学土木工程学院，通讯作者）、Ping Wang（哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院）、Hongliang Qian（哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院/哈尔滨工业大学土木工程学院）、Xiaohui Zhao（吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室）和Ninshu Ma（日本大阪大学接合科学研究所）合作完成。研究发表于期刊《Ocean Engineering》第340卷（2025年），文章编号122253。

学术背景
本研究聚焦于薄壁管道环缝焊接（girth-welded pipe）修复过程中产生的焊接变形（welding distortion）与残余应力（residual stress）的机理分析。薄壁管道广泛应用于海洋和海底油气输送系统，修复焊接（repair welding）是恢复结构完整性的常用手段，但修复过程会显著改变残余应力和变形分布，尤其是薄壁结构对热输入更为敏感。现有研究多关注厚壁管道修复，而对薄壁管道修复尺寸（如修复长度）的影响机制缺乏系统研究。本研究旨在通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示不同修复长度对304不锈钢薄壁管道残余应力与变形的影响规律，并提出基于固有应变法（inherent strain method）的变形机理解释。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：选用壁厚2 mm、外径254 mm、长度300 mm的304不锈钢管道，分为三组：A组（无修复焊接）、B组（15 mm修复长度）、C组（50 mm修复长度）。修复区域位于环缝起弧点对侧。
- 焊接工艺：采用手工TIG焊（无填充材料），参数统一（电流85 A，电压12 V，焊接速度150 mm/min，热输入0.408 kJ/mm）。
- 测量方法：
- 变形测量：使用3D扫描仪（精度0.07 mm）获取管道径向变形数据，通过点云处理算法生成变形模型。
- 残余应力测量：采用X射线衍射仪（XRD，μ-X360）基于cosα法测量轴向与环向残余应力，测量路径为焊缝中心线（WCL）对侧轴向路径，电解抛光去除表面影响层（深度50 μm）。

1. 数值模拟

   • 模型构建：基于MSC.Marc软件建立三维热-弹-塑性有限元模型，网格划分采用焊缝区加密策略（最小单元尺寸0.5 mm），总单元数102,400。
     
   • 热源模型：采用Goldak双椭球热源模型，考虑对流与辐射热损失，引入熔融潜热（260 kJ/kg）和材料相变温度（固相线1360°C，液相线1450°C）。
     
   • 力学分析：将温度场作为热载荷，基于大应变理论计算应力场，考虑各向同性硬化与退火效应（退火温度1000°C）。
     
   • 模拟案例：除实验对应的A-C组外，新增D组（100 mm修复长度）和E组（150 mm修复长度）以扩展分析范围。
     

2. 机理分析

   • 固有应变法：通过提取塑性应变分量（εₚˣ环向、εₚʸ轴向），计算固有收缩变形（δₓ、δᵧ）和弯曲变形（θₓ、θᵧ），并转化为等效固有应变施加于弹性模型，量化各分量对变形的贡献。
     

主要结果
1. 残余应力分布
- 短修复（15 mm）：修复区轴向应力显著高于母材屈服强度（>300 MPa），呈局部高拉伸状态；环向应力在修复区两端形成双峰分布。
- 长修复（50-150 mm）：轴向应力峰值随修复长度增加而降低，中段应力接近初始焊接状态；环向应力在修复区两端集中，中段趋于平缓。内壁应力分布与外壁呈现非对称性。

1. 焊接变形特征

   • 短修复：变形局限于修复区，表现为径向内凹（最大变形量0.8 mm）。
     
   • 长修复：除局部内凹外，出现整体轴向弯曲（自由端位移达1.2 mm）和端部圆度误差（偏差0.5 mm）。
     

2. 机理验证

   • 固有应变分析表明：轴向弯曲应变（θᵧ）对径向变形贡献最大（占比45%），其次是轴向收缩应变（δᵧ，35%），环向收缩应变（δₓ）影响最小（20%）。非均匀轴向收缩导致弯曲变形，而圆度误差主要由轴向收缩与弯曲耦合效应引起。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了薄壁管道修复长度与残余应力/变形的非线性关系，阐明了短修复的高约束效应与长修复的“双峰应力”机制。
- 提出基于固有应变分量的变形量化方法，为焊接变形预测提供了理论框架。

1. 应用价值
   
   • 建议修复长度优化区间为50-100 mm，可兼顾应力控制与变形抑制。
     
   • 研究结果直接指导海洋管道修复工艺设计，支持结构完整性评估（如疲劳裂纹扩展分析）。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次将三维热-弹-塑性有限元模型与固有应变法结合，用于薄壁管道修复焊接的多尺度分析。
2. 发现特殊性：明确了薄壁结构修复中“长度-约束-变形”的独特关联性，修正了厚壁管道修复的传统认知（如Dong等学者提出的“修复长度对峰值应力影响小”的结论不适用于薄壁场景）。
3. 数据完整性：实验与模拟误差控制在5%以内（如径向变形模拟与实测相关系数R²=0.93），模型可靠性高。

其他价值
研究补充了薄壁管道焊接的数据库（如304不锈钢的温度相关力学参数），并为后续研究提供了可复现的建模方法（如双椭球热源参数：a_f=3 mm, a_r=4 mm, b=2 mm, c=1.5 mm）。