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基于有限元模拟的插管结构焊接变形规律的研究
刘永,王苹,马然,方洪渊
(哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨150001)
摘要:插管结构广泛应用于工业锅炉、石油管道和轮船等大型焊接结构中。为了明确插管结构的焊接变
形规律,利用有限元分析软件MSC.Marc,考虑材料非线性和几何非线性,建立了弹塑性有限元模型,应
用生死单元法分别模拟了两种坡口厚度比例下插管(中管与左管)与壳板的焊接过程,并对焊接变形原因
进行了分析。在插管结构的有限元模拟之前,通过平板对接试验与相应模型的有限元模拟对比,从特征节
点的热过程、特征节点的焊接残余应力和焊后角变形三个方面论证了有限元模型及相关输入参数的合理性。
关键词:插管结构焊接变形热弹塑性有限元法
0前言单位为W/mm3;x,y,z为参考坐标系中的坐标,
t为时间,?为拉普拉斯算子。本研究为厚板开坡口
插管结构广泛应用于工业锅炉、石油管道和轮多层多道焊,采用双椭球热源模型,其热量分布方
船等大型结构中。插管与基体的连接大多采用焊接程可参考文献[3]。
方法,具有管壁厚和焊缝填充量大的特点。因而在在焊接和冷却过程中,工件由于对流和辐射而
插管结构的焊接生产中,常常会出现较大的变形,存在热量散失。其中,对流换热在低温区域起主要
带来一系列的问题[1]:比如变形的结构件常常需要作用,辐射换热在高温区域起主要作用,例如在800℃
校正,耗工耗时。有时比较复杂的变形校正工作可时约占总放热量的80%[1]。对流换热遵循牛顿定律:
能比焊接工作量还要大,而有时变形太大,可能无
法校正,造成废品。焊接变形的出现还会影响构件
q??h(T?T)(2)
cfsur0
的美观和尺寸精度,还可能降低结构的承载能力。式中,hf为对流表面换热系数[W/(mm2·K)];Tsur为
因而在实际生产中如何有效预测和控制变形成为固体表面温度[K];T0为环境温度[K]。辐射换热遵
一个非常重要的课题。影响焊接结构件变形的主要循斯蒂芬-玻尔兹曼定律:
因素有热输入量、焊接件板厚和拘束条件等,多层
多道焊还受到预热温度、层间温度、焊接顺序和填
q???C0(T?T0)(3)
44
rsur
充次序的影响。因为影响焊接变形的因素很多,所
以在实际生产中预测焊接变形规律非常困难[2]。
有限单元法和计算机技术的发展为焊接变形
C0?5.67?10?W/(mm,适用于绝对黑体;
142
式中,
?为黑度系数,?1。
的预测提供了有效的工具。近30年来,随着有限元1.2焊接变形的计算
理论的不断完善,众多的焊接工作者在焊接有限元热弹塑性分析中,总的应变值total符合下列公
模拟方面做了很多工作。目前,用于计算焊接变形式:
的有限元法主要有热弹塑性有限元法[2~5]和固有应
?total??e??p??th??t??c(4)
变法[6~7]两大类。本文使用大型有限元软件式中,等号右边依次为弹性应变、塑性应变、热应
MSC.Marc,采用热弹塑性有限元法,建立有限元模变、与固态相变和与蠕变有关的应变。其中,与固
型模拟实际焊接过程,分析插管结构焊接变形行为,态相变和蠕变有关的应变值较小,忽略二者对焊接
总结变形规律,为此类结构件的焊接生产提供指导。变形的影响。考虑几何非线性,应变与位移的关系
选用大变形理论,具体关系式参见文献[4]。
1焊接过程热弹塑性计算的理论基础
1.1温度场的计算
2插管结构与材料参数
在焊接过程中,热传导分析的控制方程[1]为:本研究中,插管结构由壳板和三根插管构成,
??????
c(x,y,z,t)q(x,y,z,t)Q(x,y,z,t)
T
?t
(1)
插管竖直贯穿壳板,壳板开K型坡口,坡口角度为
60°,坡口在壳板厚度上的比例采取两种方案,方
式中,ρ为材料密度,单位为g/mm3;c为材料的比案1为3:2,方案2为1:1,整体结构与坡口形式如
热容,单位为J/(g·K);T为瞬时温度,单位为K;图1所示。壳板材料为980钢,插管材料为QD685
q为热流矢量,单位为W/mm2;Q为热源产热率,(下文简称685钢),填充材料为A557焊条。三者
的密度取为7.8g/cm3,泊松比取为0.3,其余材料参打底焊和下坡口仰焊位置采用氩弧焊,上坡口平
数见图2。焊位置采用手工电弧焊,仰焊与平焊同时进行,
插管-左管
插管-中管
从一端向另一端焊接,焊接工艺参数见表1。根据
焊缝
焊接试板的尺寸和焊缝形貌,在MSC.Marc中建
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