（材料加工工程专业论文）压力容器焊接应力与工作应力耦合的数值模拟.pdf

压力容器焊接应力与工作应力耦合的数值模拟 摘要 压力容器接头中焊接残余应力的存在严重威胁结构使用的安全性 在长期 使用下易引起接头产生疲劳裂纹扩展与早期断裂失效 造成重大恶性事故 本文利用a n s y s 大型有限元软件对 类压力容器冷凝罐主体焊接接头的 焊接温度场 应力场和残余应力场进行了三维有限元模拟 文中首先讨论了逐 步激活焊缝单元的生死单元方法和逐层激活焊缝单元的生死单元方法对焊接应 力分析的影响 并通过实验检测对这两种方法模拟的结果进行了对比 结果表 明采用逐步激活的生死单元方法优于逐层激活的方法 采用逐步激活的生死单元法 对冷凝罐中筒节与封头连接的环缝接头 筒 节纵缝接头 筒节与接管连接的马鞍形接头三类主体焊缝的焊接过程进行了模 拟 其中针对马鞍形焊缝空问轨迹的特殊性编写了沿该轨迹移动的热源方程 满足了筒节与接管接头的三维动态温度场 瞬时应力场和残余应力场分析的需 求 之后对三类接头模型继续施加内压工作载荷 分析并比较了接头中的应力 变化 从温度场模拟的结果可知 焊接温度场首 尾端存在一定长度的过渡段 过渡段的温度分布主要与模型的对称简化处理方法有关 对后续该部位的应力 分布结果具有一定程度的影响 从应力场模拟的结果可知 在焊接过程中 熔池前方的金属主要受到压应 力的作用 后方主要受拉应力作用 而熔池中的应力最低 冷却后环缝与纵缝 接头中的焊接残余应力主要集中在焊缝区和热影响区 环缝接头中的周向与轴 向应力峰值位于内层焊道中 纵缝接头中的周向应力峰值位于外层焊道中 轴 向应力峰值位于内层焊道中 两类接头中焊接残余应力分布的共同特征是 沿 焊缝纵向的应力均高于垂直于焊缝的横向应力 筒节与接管马鞍形接头中沿接管周向的残余应力明显高于另两个方向 在 接头的焊趾与焊根部位均存在一定程度的应力集中 且为三向拉伸应力 筒节 一侧的焊趾部位为裂纹多发部位 三类接头的焊接残余应力与工作应力叠加后 接头的应力状态没有太大变 化 其中环缝和纵缝接头中的应力峰值有所提高 马鞍形焊缝接头的内部应力 得到部分释放 关键词 压力容器 焊接应力 数值模拟 生死单元法 马鞍形焊缝 t h ec o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp r e s s u r e v e s s e lw e l d i n gs t r e s sa n dw o r ks t r e s s a b s t r a c t t h ep r e s e n c eo fr e s i d u a ls t r e s ss e r i o u s l yj e o p a r d i z et h es t r u c t u r a ls a f e t yo f w e l d e djo i n t so fp r e s s u r ev e s s e l i t se a s yt oc a u s et h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o na n d e a r l yf r a c t u r ef a i l u r ea tt h ejo i n t sd u r i n gl o n g t e r mu s e r e s u l t i n g i nam a jo r o rf a t a l a c c i d e n t i nt h i sp a p e r t h et e m p e r a t u r ef i e l d s t r e s sf i e l da n dt h er e s i d u a ls t r e s sf i e l do f t h ec l a s si ip r e s s u r ev e s s e lw e l d e dj o i n t s t a k et h ec o n d e n s a t et a n km a i nb o d yf o r e x a m p l e w a sa n a l y s i si nat h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nb yt h el a r g e a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ep a p e rf i r s td i s c u s s e st h ei m p a c to ft h e p r o g r e s s i v ea c t i v a t i o nw e l du n i tm e t h o da n dl a y e ra c t i v a t i o nw e l du n i tm e t h o do n w e l d i n gs t r e s sa n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fe x p e r i m e n t a lt e s t i n go ft h e s et w o e l e m e n tb i r t ha n dd e a t hm e t h o d sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tp r o g r e s s i v e a c t i v a t i o nw e l du n i tm e t h o di ss u p e r i o rt ot h em e t h o do fl a y e ra c t i v a t i o n u s i n gp r o g r e s s i v ew e l du n i ta c t i v a t i o nm e t h o d t h ew e l d i n gp r o c e s so fg i r t h w e l dio i n t so ft h et u b es e c t i o na n dt h eh e a d t u b es e c t i o nl o n g i t u d i n a lw e l djo i n t s a n dt h es a d d l e s h a p e djo i n tw a ss i m u l a t e d t h em o v i n gh e a t s o u r c ea l o n gt h e s a d d l e s h a p e d w e l dt r a je c t o r ye q u a t i o nw a sw r o t et om e e tt h en e e d so ft h e t h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i ct e m p e r a t u r ef i e l d t h ei n s t a n t a n e o u ss t r e s sf i e l da n dt h e r e s i d u a ls t r e s sf i e l da n a l y s i sa tt h es a d d l e s h a p e djo i n t t h e nt h ei n t e r n a lp r e s s u r e l o a dw a si m p o s e do nt h et h r e et y p e so fc o n n e c t o rm o d e l a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h es t r e s sc h a n g e si nt h ejo i n t s i tc a nb es e e nf r o mt h er e s u l t s o ft h et e m p e r a t u r ef i e l dt h a t w e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l da tt h es t a r ta n d e n do f jo i n te x i s tac e r t a i nl e n g t ho f t h et r a n s i t i o n s e c t i o n i ti s r e l a t e dt om o d e ls i m p l i f ya p p r o a c hb ys y m m e t r y t h i st e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nh a sac e r t a i ne x t e n ta f f e c tt ot h es t r e s sd i s t r i b u t i o n t h es t r e s sf i e l di nt h ew e l d i n gp r o c e s ss h o w st h a t i t sm a i n l yc o m p r e s s i o n s t r e s si nt h ef r o n to ft h em o l t e np o o lo fm e t a l a n dt h er e a rt e n s i l es t r e s s w h i l et h e l o w e s ts t r e s si nt h ew e l dp 0 0 1 a f t e rc o o l i n gr i n gw e l d a n dl o n g i t u d i n a l w e l d r e s i d u a ls t r e s si nt h ejo i n t si sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ew e l dz o n ea n dh e a t a f f e c t e dz o n e t h ep e a kc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sa n da x i a ls t r e s so ft h eg i r t hw e l d s a p p e a ri nt h ei n n e rw e l djo i n t s t h ep e a kc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s so f l o n g i t u d i n a lw e l d i o i n t sa p p e a ri nt h eo u t e rw e l db e a d t h ea x i a ls t r e s sp e a ki s l o c a t e di nt h ei n n e r w e l d t h ec o m m o nf e a t u r e so ft w ot y p e so fjo i n t si nt h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s s d i s t r i b u t i o na r e v e r t i c a ls t r e s sa l o n gt h ew e l di sh i g h e rt h a nt h eh o r i z o n t a ls t r e s s p e r p e n d i c u l a r t ot h ew e l d t h ec i r c u m f e r e n t i a lr e s i d u a ls t r e s si ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo t h e rt w o d i r e c t i o n sa l o n gt h es a d d l e s h a p e djo i n t t h e r e a r eac e r t a i nd e g r e eo fs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nt h ej o i n t so ft h ew e l dt o ea n dw e l dr o o tp a r t s a n dt h e s ea r e aa r e i n at r i a x i a lt e n s i l es t r e s s a n ds i d eo ft h et u b es e c t i o no ft h ew e l dt o ep a r t s i s c r a c k p r o n e t h r e et y p e so fj o i n tw e l d t h es t r e s ss t a t eo ft h ej o i n t sd i dn o tc h a n g em u c h a f t e rt h es u p e r p o s i t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dw o r ks t r e s si nt h et h r e et y p e s o fio i n t t h ec i r c u m f e r e n t i a lw e l da n dl o n g i t u d i n a lw e l djo i n t si nt h ep e a ks t r e s s i n c r e a s e d t h ei n t e r n a ls t r e s so ft h es a d d l e s h a p e dw e l dj o i n t sa r er e l e a s e d k e y w o r d s p r e s s u r ev e s s e l w e l d i n gs t r e s s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e l e m e n tb i r t h a n dd e a t h s a d d l e s h a p e dw e l d 致谢 岁月如梭 如歌 转眼间 三年的研究生求学生活即将结束 站在毕业的 门槛上 回首往昔 奋斗和辛劳成为丝丝的记忆 甜美与欢笑也都尘埃落定 本论文是在导师李萌盛副教授的悉心指导之下完成的 三年来 导师渊博 的专业知识 严谨的治学态度 精益求精的工作作风 诲人不倦的高尚师德 朴实无华 平易近人的人格魅力对我影响深远 导师不仅授我以文 而且教我 做人 虽历时三载 却赋予我终生受益无穷之道 本论文从选题到完成 几易 其稿 每一步都是在导师的悉心指导下完成的 倾注了导师大量的心血 在此 我向我的导师李萌盛副教授表示深切的谢意与祝福 本论文的完成要感谢徐道荣副教授 秦琳老师的实验帮助 感谢焊接教研 组各位老师在开题时以及研究工作中的给予的热情指导和提出的宝贵意见 同 时还要感谢同门师兄 师姐和学弟们 在科研工作给予我许多鼓励和帮助 感谢我的父母在我求学生涯中给予我无微不至的关怀 为我除却浮躁 一 如既往的支持我 鼓励我 最后感谢陪伴我本科入学以来一起成长的室友李志杰同学 王少阳同学 张超 同学 还有王夫人程银芬同学 感谢他们七年来对我的爱护 包容和帮助 愿 友谊长存 作者 汪迎春 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图2 1 基于a n s y s 的焊接模拟流程 9 图2 2 半椭球热源模型 一1 1 图3 1接头示意图 15 图3 2建模与网格划分 1 6 图3 3打底焊道瞬时温度场分布 2 0 图3 4内 外表面周向残余应力对比 2 2 图3 5内 外表面轴向残余应力对比 2 3 图3 6 测点位置分布图 一2 4 图3 7盲孔法测应力 2 5 图3 8实测值与两种方法模拟值比较 2 5 图4 1冷凝罐简图 2 7 图4 2筒节与封头连接接头有限元模型 2 8 图4 3接头打底焊接中的瞬时温度场 3 0 图4 4各时刻瞬时温度场 3 0 图4 5打底焊道各时刻周向瞬时应力场 3 l 图4 6打底焊道不同时刻的周向瞬时应力曲线 3 2 图4 7 周向残余应力 一3 2 图4 8接头内外表面的焊接残余应力分布 3 3 图4 91 8 截面处的焊接残余应力分布 3 3 图5 1纵缝接头有限元模型 3 5 图5 2纵缝接头打底焊道各时刻温度场 3 6 图5 3纵缝接头打底焊过程中的瞬时应力场 3 7 图5 4纵缝接头中的周向残余应力 3 8 图5 5纵缝接头中的轴向残余应力 3 8 图5 6接头中心截面的残余应力分布 3 8 图5 7内外表面垂直于焊缝路径上的残余应力 3 9 图5 8内表面纵缝 环缝接头残余应力对比 3 9 图6 1筒节与接管实体模型 4 1 图6 2马鞍形焊缝盖面焊道建模过程 4 2 图6 3筒节与接管接头有限元模型 4 2 图6 4热源移动速度分解示意 4 3 图6 5接管打底焊温度场 一4 5 图6 6马鞍形焊缝各焊道温度场剖视图 4 5 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 11 图6 1 2 图7 1 图7 2 图7 3 图7 4 图7 5 各焊道准稳态时刻周向应力分布 4 6 接头内外表面的残余应力分布 4 7 盖面焊缝中心线上的三向残余应力 4 8 垂直于焊缝路径上三向残余应力 4 8 接头断面的残余应力分布 4 8 底层焊道中点应力随时间变化曲线 4 9 环缝接头截面的复合应力分布 5 1 纵缝接头截面的复合应力分布 5 1 环缝接头施加工作载荷前后的应力对比 5 2 纵缝接头施加工作载荷前后的应力对比 一5 2 筒节与接管接头截面的叠加应力状态 5 3 表格清单 表3 1 焊接规范参数 1 4 表3 2 t 9 2 钢的热物理性能参数 一1 5 表3 3 t 9 2 钢物理性能参数 2 1 表3 4 测点距焊缝中心线的横向距离 2 4 表4 1 1 6 m n r 材料性能参数 2 7 第一章绪论 1 1 课题背景 压力容器是广泛应用于核工业 石油化工 能源工业 化学化工 制药 电厂 轻工 军工等工业生产中的承压设备 并在各个部门生产中起着重要的 作用 压力容器在使用过程中要承受一定的工作压力 且常在高温 高压 真 空 腐蚀等环境条件下长期运行 当容器内部介质为易燃 易爆 剧毒 有害 物质时 易发生爆炸 燃烧起火 压力容器事故的发生将导致的人员伤亡 经济损失 环境污染等重大案情 其损失不可估量 压力容器的安全性受热载荷和机械载荷的影响 在结构中的应力集中部位 或焊接缺陷部位容易诱发裂纹 并在服役过程中逐步扩展 最终导致容器的断 裂 从压力容器的安全角度出发 在其设计过程中 应力集中问题是所要考虑 的重要因素 应力集中现象一般出现在压力容器中的结构不连续部位 特点为这些部位 的几何形状与结构截面积突变 造成结构的不连续性以及削弱了压力容器的承 载能力口 结构中的不连续部位在使用过程中容易造成局部高应力 工作载 荷在这些区域产生的应力和应变在较大的范围内发生变化 这些变化会对结构 整体的应力分布产生影响 降低容器的整体承载能力 此部位成为设备破坏源 的可能性较大 1 导致应力集中的典型结构不连续区域 1 主要有筒节与封头的连接部位 筒 节与主体法兰的连接部位等 由于使用要求或制造工艺要求 需要在压力容器 上开孔并安装接管 筒节上开孔接管与筒节的连接部位为局部结构不连续部 位 压力容器筒节与封头 筒节与接管的连接方式为焊接连接 焊接是一个涉 及到电弧物理 传热 冶金和力学的复杂过程 焊接过程现象包括焊接时的电 磁 传热过程 金属的熔化和凝固 冷却时的相变等 材料在焊接过程中由 于高度集中的瞬时热输入 产生极不均匀的焊接温度场 在自身结构拘束或外 力拘束作用下产生热应力 使接头部位材料产生弹塑性应变和相变 最终产生 焊接残余应力和变形 一方面焊缝余高的存在会加剧容器中结构不连续性所带来的应力集中 另一方面焊接残余应力的存在又将造成应力集中程度与应力峰值的提高 严重 威胁焊接结构的使用安全性h 1 1 因此研究压力容器中各接头焊接过程中的瞬 时温度场 热应力场和焊接接头的残余应力分布规律 并将工作应力与焊接残 余应力叠加进行综合应力分析 对合理地指导容器结构设计与制造 确保压力 容器安全运行具有重要的意义 本文以本市某压力容器制造企业生产的二类中压容器冷凝罐为研究对象 分析容器中筒节与封头连接的环焊接头 筒节上纵缝接头 筒节与接管连接的 马鞍形接头这三类主体焊缝的焊接热应力及焊接残余应力 并对焊后的模型施 加工作载荷 分析焊接残余应力和工作应力叠加后的焊件内部应力变化 1 2压力容器分析的发展与现状 自2 0 世纪6 0 年代美国公布的a s m eh i 和a s m e 一2 压力容器分析设计 规范以来 各国在此基础上制定了本国压力容器分析设计标准 压力容器的设 计方法大致可分为常规设计和分析设计两种方法 常规设计法从薄膜应力出发 以弹性失效为准则 当容器中某点的应力一旦达到屈服值 即不再处于纯弹性 状态 则失效 分析设计法以塑性失效与弹塑性失效为准则 基于极限载荷 安定载荷等方法进行设计 对于焊接结构 美国a s m e 一2 中则引入了疲劳强 度削弱系数 用光滑试样的疲劳曲线来对焊接结构进行分析 但这种分析存在 着较大的误差u 有限单元法的诞生 不仅避免了传统公式计算方法的复杂性 和实验带来的高昂成本 并且为压力容器中局部应力的计算带来方便 很多学 者已经开始利用有限元软件进行压力容器的设计 然而由于压力容器体形较大 结构较复杂等原因给对压力容器焊接结构的 模拟带来了很大的困难 很多工作学者不得不对压力容器的模拟进行了简化 包括模型的简化 计算内容的简化以及焊接热输入的简化等等 董龙梅 杨涛 孙显等人运用a n s y s 对压力容器平板封头与筒节连接区进行了结构应力分析 分析中采用了二维有限元模型 通过分析可以得到在设计应力作用下连接区的 最大应力值 并在许用应力下对压力容器的结构进行了优化 通过优化得出其 重量可以再降低4 7 1 谢业东 农琪对典型压力容器中的各结构部位进行了 应力分析 比较了分析设计法与常规设计方法 得出分析设计方法能够更详细 的说明应力状态 计算获得的许用应力值更高 近些年 焊接接头断裂造成容器安全事故的频发出现 人们开始重视焊接 应力对接头质量的影响 随着焊接有限元分析的发展 利用有限元软件对压力 容器三大主体焊缝接头的焊接应力进行分析已成趋势 张祥 曾涛运用a n s y s 有限元软件对压力容器简体与平板封头的单面焊焊接过程进行了数值模拟 在 文中选用了轴对称平面单元以简化分析模型 并且采用生死单元技术获得了温 度场 残余应力的分布情况u 引 但该分析基于二维有限元模型 西安理工大学 张美丽对筒节与接管马鞍形焊接接头的焊接残余应力进行了数值分析u 分别 研究了焊接坡口 焊接工艺参数对焊接残余应力分布状态和焊接变形的影响 并得到较满意的结果 但是 文中对接头的热分析方法采用了简化处理 即直 接对各条焊道进行整体同时均匀加热 而没有考虑实际焊接移动热源的局部瞬 态加热过程 也没有考虑热流密度的不均匀分布 这与实际焊接熔敷过程差别 较大 2 1 3 有限元分析介绍 有限元法 f i n i t ee l e m e n tm e t h o d f e m 又称为有限单元法 它的核心思 想是使用数学的语言来描述复杂的工程问题 将复杂多变的工程实际问题简化 成数学方程 方程的求解域由多个子域组成 每个子域对应一个有限单元 每 一个子域假定一个合适的近似解 然后推导求解这个求解域的值域总的满足条 件 得到问题的解 从而通过有限元分析方法解决实际工程问题n 7 18 在计算机技术迅速发展的今天 依赖于计算机技术的有限元法得到了快速 发展 在此环境下产生了许多优秀的有限元分析软件 如 a n s y s s y s w e l d a b a q u s a d n i a n a s t r a n m a r c 等 1 4焊接有限元分析的发展概况 焊接温度场是得到焊接瞬时应力场和残余应力场的前提 而对应力场的准 确计算是预见焊接裂纹的重要依据 引 长期以来 焊接工作者通过大量的实验 方法来获取焊接过程的温度场以及焊后的应力场分布特征 探讨焊接规范参数 变化对温度场与应力场的影响 建立相关经验公式 通过反复尝试得出合理的 焊接规范 并将经验适用于其他类似焊接结构 这种实验法与经验法被多数工 作者所采用 虽然较为可靠 但不足之处是耗费大量人力和物力 随着计算机技术的不断更新和有限元软件的发展与完善 为焊接有限元分 析技术的发展创造了有利条件 运用数值模拟方法模拟焊接的实际焊接过程 得到模拟分析结果 再通过少量实验加以验证 这样便省去了大量的实验过程 不仅节约了人力 物力和财力 而且缩短了研发周期 1 4 1焊接温度场的有限元分析概况 在焊接过程中 焊缝金属经历加热 熔化 或达到热塑性状态 和之后的 冷却凝固过程 在整个过程中 焊接温度场在时间和空间上急剧变化 材料热 物理性能也随之剧烈变化 同时伴随着相变潜热现象 属于典型的非线性瞬态 热传导比 焊接温度场的计算由最初的解析法发展到有线差分法和有限元法 2 0 世纪6 0 年代w i l s o n 和n i c k e l l 首次提出将有限元法用于固体热传导的分析 计算中 7 0 年代中期加拿大的p o l e y 和h i b b e r t 通过编写有限元计算程序 分析了 各类常见坡口的焊接温度场 证实了焊接温度场可以利用有限元法来研究心1 随后美国的k r u t z 通过对二维有限元焊接温度场的研究 达到预测材料接头强度 的目的 22 随着焊接有限元数值模拟研究的不断深入 对焊接温度场模拟精度的要求 也逐步被提高 焊接模拟中反映焊接热输入的热源模型直接关系到焊接模拟的 真实有效性和准确性 上世纪3 0 年代r o s o n t h a l 提出热源解析模式 将热源模型分为点状 线状和 面状模型比引 6 0 年代p a v e l i c v 提出高斯热源 该模型将热源按高斯函数在一定 的范围内分布 与点状热源相比 该热源模型更接近实际情况比 为了考虑电 弧冲击力对熔池的作用 j o h ng o l d a k 提出了半椭球和双椭球形热源模型 2 5 实 践证明这种模型能够较准确的模拟焊接热过程 并且被大多数学者所运用 国内在有限元法应用于焊接温度场计算上也取得了不错的成果 上海交通 大学的陈楚等人在对脉冲t i g 焊接和局部干法水下焊接温度场计算的研究中 考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况心6 27 i 对于三维 温度场有限元模拟问题 由于时间域内时间步的增大和空间域内求解过程的收 敛困难比引 使得其在国内外近十年来才开始被研究 国内上海交通大学汪建华 等人和日本大阪大学学者共同通过对几个三维焊接温度场的实例进行了有限元 研究 获得了三维分布的焊接温度场比巩洲 蔡洪能等人以低碳钢板为例 编写 了三维有限元的非线性瞬态热传导计算模型 得到的焊接温度场的三维分布特 征与实验值相符度较高 1 1 4 2焊接应力场的有限元分析概况 在二十世纪三十年代 人们开始对焊接应力和变形进行研究 但是研究工 作只能是定性的和实测性的 直到七十年代 日本大阪大学的上田幸雄教授等 人考虑到材料力学性能随温度变化的情况 并提出相关的焊接热塑性分析理论 导出了分析焊接应力应变过程的表达式 从而实现运用有限元法对复杂的动态 焊接应力过程的研究u 1 八十年代后 j o n s o n 等人考虑了定位焊对残余应力 分布的影响 通过多次有限元计算 得到的焊接残余应力分布特点更为接近实 际 9 0 年代 t i n o u e 从考虑温度 相变 热应力三者之间的耦合效应的角度出 发 提出了一般形式的本构方程 此后焊接应力模拟向三维模型和多道焊方 向发展 从而更精确的模拟出焊接接头各个方向上的残余应力和多道焊的残余 应力分布规律 b y d o n 对钢管环焊缝的三维有限元模型进行了焊接残余应力 的模拟 得到了残余应力场在周向 轴向及径向三个方向的三维分布规律u 我国在焊接应力有限元模拟方面起步较晚 但发展迅速 并且将有限元计 算运用到实际生产当中 起初由于计算机硬件条件的限制使得在计算过程中不 得不对模型进行简化 如汪建华等人对压力容器二维模型多层多道焊接应力进 行了数值模拟 随着计算机技术的不断进步 焊接应力数值模拟得到了深入 了发展 天津大学的郑振太对大型水轮机蜗壳的焊接过程进行了数值模拟 对 焊接热源模型及多层多道焊的温度场进行了研究 重点对双椭球热源模型的热 流分布参数的取值规律和不同取值所造成的最大热流密度的误差进行了分析 从而实现将有限元法运用到实际生产中u 川 河北科技大学的王文娜对桥式起重 机箱型主梁进行了焊接数值模拟 模拟采用了间接热应力耦合法 并对热源模 型进行了简化 分析讨论了焊接顺序对主梁挠度的影响n 引 1 4 3生死单元技术的应用 焊缝热输入过程是通过移动热源给予焊缝单位长度热量的过程 多数情况 下在热输入过程中同时也存在着焊缝熔敷金属不断填充的过程 在厚板多层多 4 道焊过程中 接头的熔覆金属是逐层逐道依次填充而形成的而不是一次完成的 但有限元分析对象的单元模型建立是需要一次完成的 为了处理这个矛盾 准 确模拟焊道逐步熔覆 堆积的过程 人们提出了生死单元方法 即建立模型之 后 根据实际情况的需要添加或去除材料 使相应单元处于 生 或 死 的 状态 最初对焊缝金属的熔敷过程 人们采用了 改变材料属性 法进行热应力 计算 该方法在计算前先定义不随温度变化的材料性能参数 在计算过程中 程序会选择焊缝中温度超过熔点的单元 并改变相应单元的材料参数 该方法 从熔融状态中金属的力学性能低的角度来简化了金属填充过程 后来为了解决焊接模拟过程中材料高温性能参数的匮乏问题 生死单元 法被广泛运用 研究工作者认为熔融状态金属的性能参数接近于零并将之 杀 死 由此来模拟焊缝金属熔敷过程 4 1 1 该方法的具体方法是 在温度场计 算中 首先根据焊道无填充状态先 杀死 焊缝所有单元 然后依次激活各焊 道金属来进行温度场分布模拟 引 当进行热应力计算时 程序会自动判断金属 单元的温度是否超过熔点 若超过则将这些单元 杀死 而激活焊道中其他 低于熔点的金属单元 该方法虽然解决了熔融态金属性能参数对结果的影响 但忽略了在低于熔点的焊道单元中也包括了熔池前沿原本并不存在的金属单 元 该方法的精确性十分有限 压力容器产品使用中一般需承受一定工作载荷 尤其是内压较高的容器普 遍采用了厚壁结构 制造过程中常常需多层多道焊完成各个部件间的连接 多 层多道焊接中 不仅同一条焊道熔池前方金属对焊接过程不存在热传导和拘束 作用 后续焊道未填充金属同样对焊接过程不存在热传导与拘束作用 生死单 元方法的选择将对焊接应力的模拟精度具有较大的影响 目前在焊接应力场计 算时普遍采用的是逐层激活焊缝单元的方法 采用该技术 避免了后续焊道的 存在对当前模拟焊道的传热与拘束作用的影响 使模拟精度大大提高 但逐层 激活的方法没有去除熔池前方未焊金属对已熔覆金属的传热与拘束作用 因此 与实际焊接过程仍有区别 1 5本课题的主要研究内容 本课题运用a n s y s 有限元软件 分别对冷凝罐筒节与封头环焊接头 简节 纵焊缝接头 筒节与接管的马鞍形接头焊接过程的温度场与应力场进行三维有 限元的数值模拟 为提高计算的精确性 首先探讨了不同生死单元方法对焊接 应力计算精度的影响 推选出一种新的 逐步激活 的生死单元方法并运用到 冷凝罐主体焊缝的模拟中 具体包括以下内容 1 以小口径厚壁t 9 2 钢管对接焊为模拟对象 分别采用逐层激活和逐步激 活焊缝单元的方法计算焊接应力和焊接残余应力 讨论这两种生死单元 方法对焊接残余应力的影响 并通过实验加以验证 2 基于对生死单元法讨论的结果 分别对冷凝罐筒节与封头环焊缝和筒节 纵焊缝多层多道焊接动态温度场 应力场与残余应力场进行三维有限元 数值模拟 3 针对冷凝罐筒节与接管马鞍形焊缝的特殊空间轨迹 建立马鞍形焊缝的 三维有限元模型 编写该轨迹的近似参数方程 建立沿该轨迹移动的热 源方程 对简节与接管接头焊缝进行多层多道焊动态温度场与应力场的 数值模拟 4 在前面计算的压力容器焊接应力的基础上 施加工作载荷 分析与比较 接头中的应力变化 6 第二章 焊接有限元分析理论与模拟过程 2 1 焊接温度场有限元理论 焊接的热传导是一个典型的非线性瞬态热传导问题 对于三维热传导问题 其微分方程式为 3 肛鲁 昙l 豢 参l 茜 昙 兄詈 q c 2 m 式中 q z y z 一求解域中的热源强度 t x y z t 一温度场分布函数 a 一导热系数 p 一材料的密度 c 一材料的比热 根据有限元理论得到焊接温度场有限元分析的过程h 钔为 将整个求解域上 的温度函数t x y z t 分解为由有限个单元的温度插值函数所代替 然后求解 每个单元的温度 再给出初始条件和边界条件 就能够完整地求解一个具体的 传热问题 2 2焊接应力场有限元理论h 卜卅 考虑到焊接热应力过程的复杂性 为了计算的准确性 将焊接热应力场看 作材料非线性瞬态问题 本文应力场计算基于弹塑性力学模型 用增量理论进 行计算 本文在热塑性分析的基础上 首先做如下假定 1 材料的屈服服从v o nm i s e s 屈服准则 2 弹性应变 塑性应变与温度应变是不可分的 3 与温度有关的力学性能 应力应变在微小的时间增量内线性变化 4 不考虑粘性和蠕变的影响 焊接热弹塑性分析从应力应变关系 平衡方程h 刨来进行描述 1 应力应变关系 热弹塑性应力和应变偏增量之问的关系为 d p d p 墨 c l e f 2 2 p 一囟e l 缸 垒祭p l 2 3 一 式中 c 为与材料性能有关的向量 d 为弹塑性矩阵 在弹性区 d i d 在塑性g d i d i p d 一 d p d e 为弹性矩阵 d p 为弹塑性矩阵 缸 为 线膨胀系数向量 2 平衡方程 根据虚位移原理 建立有限元平衡方程的增量表达式 7 k p k 8 2 4 式中 i k 卜 勾单元刚度矩阵 医 f f 2 陋 r d p 伽口 2 5 式中 明为单元几何矩阵 眵 为加载 或温度增量 所引起的位移增量 只 为单元等效节点力向量 时 f p 1 c a r a x 2 6 热弹塑性应力有限元分析过程是m4 l 基于温度场计算的结果文件 在单元 上逐步加上预先算出的温度增量 然后通过求解方程 2 4 可得到节点位移增 量 p 再由公式 2 2 求得每个单元的应力应变增量 由此可得到整个焊接 瞬态应力场和残余应力场 2 3焊接有限元分析特点 焊接过程是一个非常复杂的热物理过程 焊接温度场在时间和空间上急剧 变化 材料热物理性能也随之剧烈变化 同时伴随着相变潜热现象 以及由热 输入过程产生的弹塑性应力应变 焊接过程有限元分析具有以下特点m 引 1 焊接有限元模型是三维的 热输入过程不仅包括沿水平方向传热而且 包括沿厚度方向传热 2 由于焊接快速加热和冷却 具有时间和空间极大的温度梯度 模拟过 程是高度瞬态的 3 由于材料的热一力耦合行为 模拟过程是高度非线性的 且与温度密切 相关 4 焊缝金属材料的不断熔敷以及熔池后方金属的凝固 改变了构件的连 接状况 5 材料的物理性能参数随着焊接的加热和冷却过程而发生变化 2 4 基于a n s y s 的焊接模拟过程 利用a n s y s 采用间接耦合法进行焊接热应力分析 间接耦合法相对直接耦 合法即直接一次求解得到耦合分析结果而言 是把前一次分析得到的结果作为 载荷施加到后一次分析上 从而得到最终所需的结果 焊接模拟采用的热一应力 间接耦合法具体做法是 首先进行热分析 得到的焊接温度场结果 再将温度 场结果文件作为载荷施加到结构分析中得到应力场结果 焊接模拟流程图如图 2 1 所示 8 图2 1基于a n s y s 的焊接模拟流程 2 4 1焊接温度场的模拟 2 4 1 1定义单元类型 有限元法先将模型离散化为有限个通过节点相连接的单元 在分析过程中 通过单元间节点传递信息 并求解节点处的自由度值 然后通过插值得到单元 内不同位置的值 每一种单元类型代表了不同的节点数目 自由度和单元形函 数 因此要根据求解需求设置单元的类型 焊接模拟是热力耦合分析 选择的单元时要根据以下情况进行选择 1 首先必须具有耦合功能 可以进行热一应力耦合分析 2 转换前的单元必须 是自由度为温度的热单元 转换后单元必须是自由度为位移的结构单元 3 所选的单元可以进行非线性瞬态分析 4 单元是三维的 根据以上条件本文进行温度场计算时可选用s o l i d 7 0 单元和s o l i d 9 0 s o l i d 7 0 和s o l i d 9 0 都是六面体三维实体热单元 单元的每个节点均具有一个 温度自由度 不同的是s o l i d 7 0 单元只有八个节点 s o l i d 9 0 单元有二十个节 点 一般来讲 节点数越多计算结果越精确 但计算量也越大 根据本文情况 选用s o l i d 7 0 单元即可满足计算需求 进行应力场分析时 将该单元转换为对 应的结构单元s o l i d l 8 5 每个节点具有u x u y u z 三个方向的位移自由度 2 4 1 2材料性能参数的设定 材料性能参数是区别不同材料的重要依据 其数值直接影响温度场 应力 场的形态和大小 材料性能参数中如热导率 比热容 弹性模量 屈服强度等 是随温度变化而变化的 由于焊接过程中电弧中心周围产生很大的温度梯度 因此要得到较准确的结果必须考虑材料属性在不同温度下的数值 然而大多数 材料性能参数都不全面 特别是在高温区材料的性能参数非常匮乏 为解决这 一问题一般先在a n s y s 中输入典型温度值的材料性能参数 对于那些空白温度 处的材料性能参数通过线性插值获得 对高温区的材料性能参数可以根据其变 化趋势在一定范围内采用外推法设定h 或者用相近材料的性能参数替代 2 4 1 3建模与划分网格 建立实体模型是对真实系统的数学抽象化 a n s y s 为用户设置了方便的建 模模块 并提供了如粘贴 合并 相交 搭接等布尔运算工具 使用户可以方 便地进行实体建模 a n s y s 中提供了两种建模方法 自下而上和自上而下建模 自下而上是指先建立关键点 由关键点连成线 由线组成面 再由面构成体 而自上而下建模是指直接建立所需的体或面 对这些初步建立的体或面运用布 尔运算得到最终需要的模型 所建立的体或面包含了其低级元素 一般对于焊 缝这种不规则形状的实体可以采用自下而上的方法进行建模 在单元类型 材料参数 实体模型确定之后 即可对实体模型划分网格 在a n s y s 中有两种网格划分方法 自由网格划分和映射网格划分法 自由网格 划出的体网格单元一般为金字塔型 且形状不受限制 网格排列很不规则 而 映射体网格划出的网格单元均为六面体形状 单元之间不仅排列规则且美观 而且网格划分后的模型对计算的收敛非常有利 因而在实际应用中多采用映射 网格划分方法 本文中焊接热分析的单元类型为s o l i d 7 0 六面体单元 划分网格时采用映 射划分法和扫掠划分法进行划分 得到的网格美观且计算时易于收敛 此外 为了减少计算量 使网格在不同区域具有不同疏密程度 在焊缝区和热影响区 1 0 由于计算数据变化梯度较大 在这些区域采用较密的网格 而远离焊缝区因计 算数据变化梯度较小 采用较粗的网格 2 4 1 4 热源的选取 焊接热源是焊接温度场模拟的关键 不同类型的焊接热源具有不同的电弧 能量密度 因此所对应的熔深 熔宽有所不同 选择的热源模型也会不同 目 前适用于各种电弧焊方法的热源模型很多 常见的有高斯热源 半椭球热源 双椭球热源 锥体热源 复合热源分布函数等 针对不同的焊接方法的特点 常会采用不同的热源模型 一般而言 对于 热输入较小 对熔池电弧吹力较小的情况下 采用高斯热源即可得到较满意的 结果 如钨极氩弧焊 而对于焊接热输入较大 并且考虑较大的电弧吹力的作 用时 常采用半椭球热源模型或双椭球热源模型 运用这两类热源模型的模拟 精度高于高斯热源 适用于大多数的电弧焊方法 对于能量密度很高的激光焊 电子束焊等焊接方法 则需选用三维锥体热源或复合热源模型等 本文中焊接t 9 2 钢管的焊接方法是钨极氩弧焊 冷凝罐三类主体焊缝的焊接 采用的是钨极氩弧焊和手弧焊 采用半椭球热源即可满足计算需求 半椭球的 热源模型 3 如图2 2 n 式2 7 z z q 一 17 厂b f 警 d j 一7 x 图2 2半椭球热源模型 m 班加等a o c唧 墨a 一等一冬c 冗 冗 bl 式中q u i 为焊接热源的总功率 r l 为热功率有效系数 常数a 各方向的半轴 2 4 1 5 求解设置 焊接温度场计算时的设置如下 1 将分析类型设置为瞬态分析 2 7 b c 为椭球体 2 非线性选项采用牛顿一拉普森迭代方法进行线性搜索可以有效加 强有限元计算的收敛性从而保证计算结果的收敛 3 打开自动时间步长 4 设置时间步长时间步长的大小对计算收敛与否以及计算精度将产 生很大的影响 小的时间步长可以提高计算精度 但计算时间也会相应增大 此外根据线性传导热传递 还可以按如下公式 u 估计初始时间步长 i t s f z 4 a 2 8 其中f 为沿热流密度方向热梯度最大处的单元的长度 口为热扩散率 仅 2 p co 本文在温度场计算时 综合考虑计算精度和计算量及计算时问因素 加热 的过程时间步长均取0 2 5 s 冷却时温度梯度降低 子步相应增大 取l0 s 一个 子步 应力场计算时与此对应 5 输出控制计算结果的控制由输出控制选项来调节 为了利于跟踪 查看温度场 应力场随时问的变化 同时考虑到存储子步数目过大会造成结果 文件过大 导致计算机硬盘存储空间不够的因素 本文每4 个子步保存一个文件 相当于在加载阶段每一秒保存一个结果 冷却阶段每4 0 秒保存一个结果文件 6 在求解温度场之前 根据实际情况设置边界条件并添加初始状态 求 解时运用生死单元法 结合移动热源方程的加载实现动态温度场的计算 2 4 2 应力场分析 本文采用间接法计算焊接应力场 在计算应力前 要把温度场计算中定义 的s o l o d 7 0 热单元转换为s o l i d l 8 5 结构单元 其次是设置结构分析所需要的 材料参数 弹性模量 屈服强度 线膨胀系数等 然后设置边界条件 对于对 称结构要施加对称约束 在对应力