抽油機驢頭焊接熱效應分析

1、抽油機驢頭焊接熱效應分析驢頭作為常規(guī)游梁式抽油機的重要焊接部件，其可靠性直接影響抽油機的使用壽命和采油效率，近年來驢頭因開裂導致墜落的事件屢見不鮮。本文采用非線性有限元法，模擬分析驢頭焊接過程的溫度場和應力場，為改進驢頭焊接工藝，提高焊接質量的可靠性提供一定的理論數(shù)據(jù)。1 焊接熱效應概述1.1 焊接熱效應分析理論基礎焊接過程中，焊接區(qū)以遠高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱膨脹，受周圍較冷區(qū)域的約束造成熱應力。存在焊接殘余應力時，會產生焊接變形，稱為“收縮”，“變形”或“翹曲”。根據(jù)熱力學第一定律熱能和機械能平衡，總能量守恒，以及熱場和力學場耦合可得：彈性-粘塑性連續(xù)介質的

2、熱力基本方程為（為偏應力張量）其中為單位時間的儲熱，為提供或帶走的熱，為單位時間釋放或消耗的熱，分別為彈性-粘塑性變形率能，為損失系數(shù)（W1）由于焊接熱輸入來源外部，耦合項（含變形量的項）可忽略，可直接求解溫度場。微分形式的有限元分析方法，總應變，由彈性應變，通常的塑性應變，相變塑性引起的塑性應變，熱應變，以及相變應變組成。（i，j=1，2，3）由此式可分析力學場。熱彈塑性連續(xù)介質本構方程矩陣形式為：各張量的六分量匯總為列矢量，和。瞬時熱塑性應變應力矩陣D和系數(shù)和取決于溫度相關的材料特征值及等效應力，包括顯微組織變化。由此本構方程就能對焊接件進行網格劃分，單元求解。本研究采用熱結構耦合分析，先

3、進行非線性瞬態(tài)熱分析，再進行線性應力分析，結合驢頭結構特點定義單元類型為Soild226在焊縫附近驢頭劃分單元細化，為節(jié)省計算機內存和計算時間遠離焊縫區(qū)單元較大?？偣矄卧獢?shù)為8363個。網格劃分如圖1。1.2 材料性能焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導問題，隨著熱源的移動整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化。材料的物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)是數(shù)值模擬過程中重要的物理量，對精度和準確性有重要影響。1.3 熱源及其邊界條件本文使用高斯移動熱源，將焊接熱輸人量轉化為熱生成，在焊縫中心的熱生成最大，周圍單元熱生成載荷按高斯分布依次取值。溫度邊界條件施加對流邊界條件

4、和輻射邊界條件，參考溫度30，位移邊界條件定義驢頭側面Z方向上的位移約束。焊縫初始溫度為800。由于驢頭焊接有兩條焊縫，必須選擇焊區(qū)，殺死一個焊區(qū)(初始狀態(tài)焊縫不存在)，對另一個初始化加載激活后求解，后采取同的辦法進行第二次求解。2 數(shù)值模擬結果及分析2.1 焊接合位移計算結果圖2分別是焊接過程30s，250s時的動態(tài)三維變形的情況來看，焊縫附近的溫度場在焊接過程中隨時間發(fā)生變化，在剛開始時，驢頭材料Q235溫度T>600c,由于高溫屈服極限降低，材料幾乎處于無應力的狀態(tài)，各部分變形收縮較均勻，產生壓縮塑性區(qū)，隨后因冷卻熱收縮形成拉伸塑性區(qū)，由壓縮狀態(tài)進入拉伸狀態(tài)為彈性卸載窄帶所分離，進

5、入永久變形。2.2 單一節(jié)點位移隨時間變化關系取靠近焊縫的單元(1318NODE)分析UX，UY向位移與時間的關系如圖3、圖4所示。3 熱分析誤差估計任何產生不連續(xù)的熱流區(qū)域的有限元模型都是有誤差的，本文主要評估網格劃分誤差，在本研究中發(fā)現(xiàn)節(jié)點溫度比實際要低，通過網格加密，能使節(jié)點溫度升高更加接近實際值，但加密到達一定程度后效果不是很明顯。ANSYS提供了誤差分析的工具，其計算方法如下：4 結論在焊接過程中，溫度場直接影響焊件的應力和變形場，同時變形產生的變形熱又反作用于溫度場。在冷卻過程中驢頭側板受力為壓應力，x向最大變形為-3.45mm，y向變形為-1.4mm，而驢頭腹板和焊縫附近的側板節(jié)點受