【doc】壓力容器簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?！綿oc】壓力容器簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬【doc】壓力容器簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬壓力容器簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬第46卷第3期2009年6月化工設(shè)備與管道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVo1.46No.3Jun.20o9壓力容器簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬張祥,曾濤(四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院,四川自貢643000)摘要:采用有限元軟件ANSYS中生死單元技術(shù)對壓力容器筒體與平封頭單面焊焊接過程進行數(shù)值模擬,得出焊縫焊接殘余應(yīng)

2、力,溫度場及位移場的分布情況.經(jīng)過分析可以得出:在焊縫區(qū)及熔合區(qū)溫度極高;遠離焊縫,溫度峰值急劇下降.在熔舍區(qū)焊接殘余應(yīng)力達最大值;焊根處殘余應(yīng)力較小;在熱影響區(qū),沿焊縫方向多為拉應(yīng)力,垂直焊縫方向多為壓應(yīng)力.關(guān)鍵詞:壓力容器;生死單元;殘余應(yīng)力中圖分類號:TQ050.3文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009?3281(2009)03-0007-03NumericalImitationofResidualStressinWeldbetweenCylinderandFlatHeadofPressureVesselZHANGXiang,ZENGTao(Dept.ofMechanicalEngineeri

3、ng,SichuanUniversityofScience&Engineering,Zigong643000,China)Abstract:Thefinite.elementanalysismethodanditsbirthdeadtechniquewereusedtosimulatetheweldingprocessofthepressurevesselcylinderandplatedome.Thedistributionsofresidualstressesinweldzone,temperaturefieldanddisplacementfieldwereob?rain

4、ed.Itwasshownthatthetemperatureinweldzoneandmeltingzonewasextremelyhigh,but,itwillbesharplydropintheareafarawayfromweld.Theresidualstressinmeltingzonereachedhighestvalue,andithadrelativesmallvalueatweldingtoe.Intheheataffectingarea.alongthedirectionofweld,thestressWastensile.However,alongthenormalof

5、weld,thestresswascompressive.Keywords:pressure;birth?deadelement;residualstress,焊接作為壓力容器制造過程中的重要工藝,直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞,結(jié)構(gòu)的安全.由于高度集中的瞬時熱輸入,在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形.焊接殘余應(yīng)力和焊接變形將嚴(yán)重影響壓力容器的強度,剛度,受壓時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性.為評估壓力容器筒體與平封頭多級焊縫焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力及焊接變形,利用ANSYS有限元分析軟件,對其焊接過程進行數(shù)值模擬,定量描述了焊接溫度場與應(yīng)力場,預(yù)測了焊接殘余應(yīng)力的分布,為實際焊接生產(chǎn)及變形提

6、供參考.1簡體與平封頭焊接有限元分析1.1問題及計算參數(shù)描述簡體與平封頭的連接結(jié)構(gòu)如圖1所示,對于小直徑(DN<6OOmm),且內(nèi)部無法施焊的筒體與平封頭的連接采用單面焊結(jié)構(gòu).焊接接頭結(jié)構(gòu)尺寸:焊縫試樣寬度20mm,V形坡口=60.焊接工藝參數(shù):焊接電壓25V,焊接電流250A,焊接速度4mm/s,焊接半徑5mm,焊接室溫20.圖16/6./>2收稿日期:2008一l1-28作者簡介:張祥(1984一),男,湖北黃岡人,在讀研究生.主要研究方向為化工過程機械.?8?化工設(shè)備與管道第46卷第3期1.2材料性能這里的材料是奧氏體不銹鋼,其性能見表11-2,在高于600時

7、,鋼鐵的彈性模量很小,溫度在分界點以上所需應(yīng)變對最終殘余應(yīng)力狀態(tài)影響不大,因此材料的高溫性能對最終的結(jié)果影響不大.表1材料性能1.3網(wǎng)格劃分將簡體與平封頭焊接模型簡化為二維平面模型,見圖2.為了節(jié)省計算時間和提高精度,在溫度梯度變化大的焊縫及其附近區(qū)域網(wǎng)格加密處理,在離焊縫較遠處和溫度變化不明顯的區(qū)域,采用較稀疏的網(wǎng)格,整體上表現(xiàn)為由密到疏的過渡方式.圖2模型網(wǎng)格劃分1.4生死單元熱源模型加載及溫度場對于本文多級焊縫焊接過程,應(yīng)將熱源作為焊縫單元內(nèi)部生熱處理,以生熱率的形式施加載荷,同時考慮金屬的填充作用,故運用生死單元技術(shù),逐步將填充焊縫金屬轉(zhuǎn)化為生單元參與計算.本文屬于瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合問題,

8、故選取PLANE13熱一結(jié)構(gòu)藕合單元進行求解,為了保證計算的穩(wěn)定性和收斂性,可以作如下設(shè)置:采用FULLNewtonRaphson方法,每進行一次平衡迭代,就修正一次剛度矩陣,同時激活自適應(yīng)下降功能,在焊接溫度場的分析過程中,時間步長一般應(yīng)控制在0.2s左右,在冷卻過程中,可逐步增大時間步長.選擇合理的時間步長很重要,可以按如下的公式來估計初始時間步長:ITS=62/4式中6沿?zé)崃髅芏确较驘崽荻茸畲筇幍膯卧L度;熱擴散率,=A/pc.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析焊接熱作用的模擬計算完全按照實際多級焊縫焊接過程進行,采用生死單元技術(shù),當(dāng)所有單元被激活后,完成計算過程.其中焊接殘余應(yīng)力分布見圖3,溫度場分

9、布見圖4,圖5為選取的節(jié)點l8,節(jié)點58,節(jié)點89,節(jié)點204的溫度隨時間變化歷程圖,圖6為選取的包含節(jié)點l6的各個單元應(yīng)力隨時間變化歷程圖,從上述圖例中可以得出以下結(jié)論:(1)從圖3可以看出焊縫殘余應(yīng)力具有關(guān)于焊縫對稱分布的特征,且在熔合區(qū)焊接殘余應(yīng)力達最大值;焊根處殘余應(yīng)力較小;在熱影響區(qū),殘余應(yīng)力變化較大.這表明沿焊縫方向多為拉應(yīng)力,垂直焊縫方向多為壓應(yīng)力.(2)從圖4可以看出在焊縫區(qū)及熔合區(qū)溫度極高,梯度大;遠離焊縫,溫度峰值急劇下降,無溫度場集中現(xiàn)象.(3)圖5為選取的四個節(jié)點溫度隨時間變化的曲線,從圖中可以看出整個焊接過程中,各點的溫度變化是十分不均勻的,在開始階段,溫度變化急劇,

10、2009年6月張祥,等.壓力容器筒體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值模擬?9?隨后趨于平緩.一一贈A:0l99×10B:O396×10C=0592×10.D=O788×10E=O985×】0F=O118×】0G=O138×1OH=0157×1OI=0l77×10.云圖圖4溫度場分布云圖2O72.337130.674186.0ll2ll-318296685352.O22407.359462.6975l8O34時間/×10's圖5四節(jié)點的溫度一時間歷程(4)圖6為選取的包含節(jié)點16的各個單元應(yīng)力

11、隨時間變化的曲線,從圖中可以看出,不同單元的應(yīng)力在開始階段均急劇上升,隨后趨于平緩,這其中在熔合區(qū)包含節(jié)點16的單元殘余應(yīng)力較熱敏感區(qū)大.一時間/×10s圖6節(jié)點16的應(yīng)力一時間歷程3結(jié)論(1)運用生死單元技術(shù),能有效模擬壓力容器簡體與平封頭多級焊縫形成及熱源加載過程.(2)計算結(jié)果表明,在熔合區(qū)焊接殘余應(yīng)力達最大值;焊根處殘余應(yīng)力較小;在熱影響區(qū),殘余應(yīng)力變化較大,沿焊縫方向多為拉應(yīng)力,垂直焊縫方向多為壓應(yīng)力.(3)該方法通過對簡體與平封頭多級焊縫殘余應(yīng)力進行定量的數(shù)值模擬,能夠比較直觀地顯示殘余應(yīng)力分布,為焊后熱處理工藝提供指導(dǎo).參考文獻1Jean-JacquesJanosch.

12、IIWRoundRobinProtocolforResidualStressandDistortionPredictionJ.InternationalJournalofPres.sureVesselsandPiping,2008,85:112.2ShahramSarkani,VesselinTritchkov,GeorgeMichaelov.Aneffi-cientapproachforcomputingresidualstressinweldedjointsJ.FiniteElementsinAnalysisandDesign,2000,35:247-268.承壓管件計算軟件CalPipingV1.0版正式發(fā)布隨著GB/T20801等一系列有關(guān)壓力管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范的頒布,實施,全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站開發(fā)并推出了承壓管件計算軟件.該軟件利用'-3代計算機的先進技術(shù)和裝備,按照國內(nèi)壓力管道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范規(guī)定的設(shè)計計算方法,可幫助壓力管道設(shè)計工程師快速,準(zhǔn)確地完成承壓