压力容器简体与平封头多级焊缝残余应力数值模拟

第4 6卷第3期 2 0 0 9年 6月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P M E N TP I P I N G Vo 1 4 6 No 3 J u n 2 0 o 9 压力容器简体 与平封头多级焊缝 残余应力数值模拟 张祥， 曾涛 ( 四川理工学院机械工程学院， 四川 自贡6 4 3 0 0 0 ) 摘要：采用有限元软件 A N S Y S中生死单元技术对压力容器筒体与平封头单面焊焊接过程进行数值模拟， 得出焊 缝焊接残余应力、 温度场及位移场的分布情况。经过分析可以得出： 在焊缝区及熔合区温度极高； 远 离焊缝， 温度 峰值急剧下降。在熔舍区焊接残余应力达最大值； 焊根处残余应力较小； 在热影响区， 沿焊缝方向多为拉应力， 垂 直焊缝 方向多为压应 力。 关键词：压力容器； 生死单元； 残余应力 中图分类号 ： T Q 0 5 0 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 0 9 ) 0 3 - 0 0 0 7 - 0 3 Nu me r i c a l I mi t a t i o n o f Re s i d u a l S t r e s s i n W e l d b e t we e n Cy l i n d e r a n d F l a t He a d o f Pr e s s u r e Ve sse l ZHANG Xi a ng，ZENG Ta o ( D e p t o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S ic h u a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e&E n g i nee r i n g， Z i g o ng 6 4 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h o d a n d i t s b i r t h d e a d t e c h n i q u e w e r e u s e d t o s i mu l a t e t h e w e l d i n g p r o c e s s o f t h e p r e s s u r e v e s s e l c y l i n d e r a n d p l a t e d o me T h e d i s t r i b u t i o n s o f r e s i d u al s t r e s s e s i n we l d z o n e ，t e mp e r a t u r e fi e l d a n d d i s p l a c e me n t fi e l d w e r e o b r a i n e d I t wa s s h o w n t h a t t h e t e mp e r a t u r e i n w e l d z o n e a n d me l t i n g z o n e w a s e x t r e me l y h i g h，b u t ，i t wi l l b e s h a r p l y d r o p i n t h e a r e a f a r a w a y f r o m w e l d T h e r e s i d u a l s t r e s s i n me l t i n g z o n e r e a c h e d h i g h e s t v alu e ，a n d i t h a d r e l a t i v e s ma l l v a l u e a t w e l d i n g t o e I n t h e h e a t a ff e c t i n g a r e a 。a l o n g t h e d i r e c t i o n o f w e l d，t h e s t r e s s W as t e n s i l e Ho we v e r ，a l o n g t h e n o r ma l o f we l d，t h e s t r e s s wa s c o mp r e s s i v e Ke y wo r d s ：p res s u r e ；b i r t h d e a d e l e me n t ；r e s i d u al s t r e s s 、 焊接作为压力容器制造过程中的重要工艺， 直 接关系到产品质量的好坏、 结构的安全。由于高度 集中的瞬时热输入 ， 在焊接过程 中和焊后将产生相 当大的残余应力和变形。焊接残余应力和焊接变形 将严重影响压力容器的强度、 刚度、 受压时的结构稳 定性和尺寸稳定性。为评估压力容器筒体与平封头 多级焊缝焊接过程中产生的残余应力及焊接变形 ， 利用 A N S Y S 有限元分析软件 ， 对其焊接过程进行数 值模拟 ， 定量描述了焊接温度场与应力场 ， 预测了焊 接残余应力的分布， 为实际焊接生产及变形提供 参考。 1 简体与平封头焊接有限元分析 1 1 问题及计算参数描述 简体与平封头的连接结构如图 1所示 ， 对于小 直径( D N2 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 l 1 - 2 8 作者简介： 张祥( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 湖北黄 冈人 ， 在读 研究生。主要研究 方 向为化工过程机械。 8 化工设备与管道 第4 6卷第3期 1 2材料性能 这里 的材 料 是 奥 氏体 不 锈 钢 ， 其 性 能 见 表 1 1 - 2 ，在高于6 0 0时， 钢铁的弹性模量很小， 温度 在分界点以上所需应变对最终残余应力状态影响不 大 ， 因此材料的高温性能对最终的结果影响不大。 表 1 材料性能 1 3网格划分 将 简体 与平封头焊接模型简化为二维平面模 型， 见图 2 。为了节省计算时间和提高精度， 在温度 梯度变化大的焊缝及其附近区域 网格加密处理， 在 离焊缝较远处和温度变化不明显 的区域 ， 采用较稀 疏的网格 ， 整体上表现为由密到疏的过渡方式。 图 2 模型 网格划分 1 4生死单元热源模型加载及温度场 对于本文多级焊缝焊接过程 ， 应将热源作为焊 缝单元内部生热处理 ， 以生热率的形式施加载荷 ， 同 时考虑金属的填充作用 ， 故运用生死单元技术 ， 逐步 将填充焊缝金属转化为生单元参与计算。本文属于 瞬态热结构耦合问题 ， 故选取 P L A N E 1 3热一 结构藕 合单元进行求解 ， 为了保证计算的稳定性和收敛性 ， 可以作如下设置 ： 采用 F U L L N e w t o n R a p h s o n方法 ， 每进行一次平衡迭代 ， 就修正一次刚度矩阵， 同时激 活 自适应下降功能 ， 在焊接温度场的分析过程中， 时 间步长一般应控制在 0 2 s 左右 ， 在冷却过程中， 可 逐步增大时间步长。选择合理 的时间步长很重要 ， 可以按如下 的公式来估计初始时间步长 ： I TS=6 2 4 式中6 沿热流密度方向热梯度最大处 的单元 长度 ； 热扩散率， = A p c 。 2数值模拟 结果与分析 焊接热作用的模拟计算完全按照实际多级焊缝 焊接过程进行 ， 采用生死单元技术， 当所有单元被激 活后 ， 完成计算过程。其 中焊接残余应力分布见图 3 ， 温度场分布 见图 4 ， 图 5为选取 的节点 l 8 、 节点 5 8 、 节点 8 9 、 节点 2 0 4的温度随时间变化历程图， 图 6为选取的包含节点 l 6的各个单元应力随时间变 化历程图， 从上述图例中可以得出以下结论 ： ( 1 ) 从图 3可以看出焊缝残余应力具有关 于焊 缝对称分布的特征 ， 且在熔合 区焊接残余应力 达最 大值； 焊根处残余应力较小； 在热影响区， 残余应力 变化较大。这表明沿焊缝方 向多为拉应力 ， 垂直焊 缝方 向多为压应力。 ( 2 ) 从图 4可以看出在焊缝区及熔合区温度极 高 ， 梯度大； 远离焊缝 ， 温度峰值急剧下降 ， 无温度场 集中现象 。 ( 3 ) 图 5为选取的四个节点温度 随时间变化的 曲线， 从图中可以看出整个焊接过程中 ， 各点的温度 变化是十分不均匀 的， 在开始阶段 ， 温度变化急剧 ， 2 0 0 9年6月 张祥， 等压力容器筒体与平封头多级焊缝残余应力数值模拟 9 随后趋于平缓。 一 一 赠 A：0 l 9 9 1 0 B：O 39 6 1 0 C=0 59 2 1 0 。 D=O 78 8 1 0 E= O 98 5 】 0 F= O 11 8 】 0 G=O 1 3 8 1 O H=0 1 5 7 1 O I = 0 l 7 7 1 0。 云图 图 4 温度场分布云 图 2 O 7 2 3 3 7 1 3 0 6 7 4 1 8 6 0l l 2l l - 3 1 8 2 9 6 6 8 5 35 2 O 2 2 4 0 7 3 5 9 4 6 2 6 9 7 5 l 8 O 3 4 时间 1 0 s 图 5 四节点的温度一 时间历程 ( 4 ) 图 6为选取 的包含节点 1 6的各个单元应 力随时间变化的曲线 ， 从图中可以看出， 不同单元的 应力在开始阶段均急剧上升 ， 随后趋于平缓 ， 这其中 在熔合区包含节点 1 6的单元残余应力较热敏感 区大。 一 时 间 1 0 s 图 6 节点 1 6的应 力一 时间历程 3 结论 ( 1 ) 运用生死单元技术 ， 能有效模拟压力容器 简体与平封头多级焊缝形成及热源加载过程 。 ( 2 ) 计算结果表明， 在熔合区焊接残余应力达 最大值 ； 焊根处残余应力较小； 在热影响区， 残余应 力变化较大， 沿焊缝方向多为拉应力 ， 垂直焊缝方向 多为压应力。 ( 3 ) 该方法通过对简体与平封头多级焊缝残余 应力进行定量的数值模拟 ， 能够 比较直观地显示残 余应力分布 ， 为焊后热处理工艺提供指导。 参 考 文 献 1 J e a n - J a c q u e s J a n o s c h I I W R o u n d R o b i n P r o t o c o l f o r R e s i d u a l S t r e s s a n d D i s t o r t i o n P r e d i c t i o n J I n t e r n a t io n al J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l s a n d Pipin g， 2 0 08， 8 5： 1 1 2 2 S h a h r a m S a r k a n i ， V e s s e l i n T r i t c h k o v ， G e o r g e M i c h a e l o v A n e f fi - c i e n t a p p r o a c h f o r c o m p u t i n g r e s i d u a l s t r e s s i n w e l d e d j o i n t s J F i n i t e E l e me n t s i n An a l y s i s a n d De s i g n， 2 0 0 0， 3 5： 2 4 7 - 2 6 8 承压管件计算软件 C a l P i p i n g V 1 。 0版正式发布 随着 G B T 2 0 8 0 1等一系列有关压力管道设计标 准、 规范的颁布、 实施 ， 全国化工设备设计技 术中心站 开发并推 出了 承压管件计算软件 。该软件利用 -3代计算机的先进技 术和装备， 按照国内压力管道设计标