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1、压力容器简体与平封头多级焊缝残余应力数值模拟第46卷第3期2009年6月化工设备与管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVo1.46No.3Jun.20o9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643000)摘要:采用有限元软件ANSYS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
2、.关键词:压力容器;生死单元;残余应力中图分类号:TQ050.3文献标识码:A文章编号:1009?3281(2009)03-0007-03NumericalImitationofResidualStressinWeldbetweenCylinderandFlatHeadofPressureVesselZHANGXiang,ZENGTao(Dept.ofMechanicalEngineering,SichuanUniversityofScience&Engineering,Zigong643000,China)Abstract:Thefinite.elementanalysismetho
3、danditsbirthdeadtechniquewereusedtosimulatetheweldingprocessofthepressurevesselcylinderandplatedome.Thedistributionsofresidualstressesinweldzone,temperaturefieldanddisplacementfieldwereob?rained.Itwasshownthatthetemperatureinweldzoneandmeltingzonewasextremelyhigh,but,itwillbesharplydropintheareafara
4、wayfromweld.Theresidualstressinmeltingzonereachedhighestvalue,andithadrelativesmallvalueatweldingtoe.Intheheataffectingarea.alongthedirectionofweld,thestressWastensile.However,alongthenormalofweld,thestresswascompressive.Keywords:pressure;birth?deadelement;residualstress,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
5、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ANSYS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(DN<6OOmm),且内部无法施焊的筒体与平封头的连接采用单面焊结构.焊接接头结构尺寸:焊缝试样宽度20
6、mm,V形坡口=60.焊接工艺参数:焊接电压25V,焊接电流250A,焊接速度4mm/s,焊接半径5mm,焊接室温20.图16/6./>2收稿日期:2008一l1-28作者简介:张祥(1984一),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46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11-2,在高于600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
7、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PLANE13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FULLNewtonRaphson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
8、长一般应控制在0.2s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:ITS=62/4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/pc.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l8,节点58,节点89,节点204的温度随时间变化历程图,图6为选取的包含节点l6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,
9、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,2009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:0l9910B:O39610C=059210.D=O78810E=O985】0F=O118】0G=O1381OH=01571OI=0l
10、7710.云图图4温度场分布云图2O72.337130.674186.0ll2ll-318296685352.O22407.359462.6975l8O34时间/10s图5四节点的温度一时间历程(4)图6为选取的包含节点16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16的单元残余应力较热敏感区大.一时间/10s图6节点16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
11、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1Jean-JacquesJanosch.IIWRoundRobinProtocolforResidualStressandDistortionPredictionJ.InternationalJournalofPres.sureVesselsandPiping,2008,85:112.2ShahramSarkani,VesselinTritchkov,GeorgeMichaelov.Aneffi-cientap
12、proachforcomputingresidualstressinweldedjointsJ.FiniteElementsinAnalysisandDesign,2000,35:247-268.承压管件计算软件CalPipingV1.0版正式发布随着GB/T20801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准,规范规定的设计计算方法,可帮助压力管道设计工程师快速,准确地完成承压管件的压力设计,并按用户要求输出符合工程应用习惯的管子等级表和管件数据一览表,保证了设计计算的准确性以及承压管件的强度和刚度,提高了工作效率,使设计工程师有更多的时间用于结构优化和方案选择的工作.该软件已取得计算机软件着作权登记证书.经中国科学院上海科技查新中心查新检索,该软件综合技术水平达到国际先进,国内领先水平,对提高我国压力管道设计领域的整体水平和工程软件国产化将起到较显着的作用.一