SS304 半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟.pdf

第27卷第10期
焊接学报
Vol 27 No. 10
2 006F 1 0 H TRANSACTONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION October 2006
SS304半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟
蒋文春,巩建鸣,陈虎,涂善东
(南京工业人学机械与动ノ力工程学院,南京210009
捎要:半圆管夹套设备最常见的题是夹套焊接部位开裂?起泄漏,焊接残余应力
是重要的影响因素之一。利用有限元软件 ABAOUS,开发了一个多次顺次耦合焊接残
余应力有限元计算程序,并利川 FORTRAN语言编写移动高斯热源的分布子程序,对304
不锈钢半管夹会焊接部位残余应力进行数值模拟,得到半管夹会T形接头焊接残余应
力分布规律。计算结果表明,在T形接头附近,应カ水平较尚,易诱使焊缝裂失效。
并对半管夹套的焊接制造提出建议,为优化半管头夹套焊接T.ど、控制焊接线余应力提供
论依据,对提高半管夹会设各的可靠性和安全性具有重要意义。
关键词:半管火套;焊接残氽成力;有限元;多次顺次耦合:软件
图分类号:T(404文献标识码
文章编号:0253-360X(2006)10-077-04
将文春
圆度很小,建模时可将筒体近似为平板米进行计算
H于T形接头附近足最值得关注的区域,因此在T
半管设备作为一种加热冷却设备,与普通夹套形接头附近网格划分较密,在远离T形接头的区域
容器相比,具有筒体受力好、传热效率高、节能及节比较稀疏。儿何模型及网格划分如图1所示,共
约钢材用等优点,被广泛运用在化エ、医药等行5966个节点,464个单元。湿度场计算采川
业。凵前,此类设各存在的普遍问题是半管与筒体DC3D8单元,应力场计算采川C3D8单元。
焊按部位出现开裂,引起沚漏
对于半管夹套设备,半管与筒体之间存在环角
对接焊缝
焊缝,半管之间存在对接焊缝,角焊缝与对按焊缝交
角焊缝
接处存在T形接头。这些区域的焊接残余应力状态
T形接头
复张,容易出现缺陷,成为最導弱环节,需要引起足
够的重视
月前,对于半管夹套结构焊接部位残余应力的
有限元分析,尚无相关文献可査。利用大型有限元
软件 ABAQUS,対半管夹套T形接头残氽应力进
行了三维有限元分析,得到T形接头焊接残余应力
图1半管夹套T形接头几何模刑及网格划分
分布规律。
Fig 1 Geometric model and meshing
of half-pipe T-joint
1半管夹套T形接头有限元模型
1.2多次顺次耦合焊接残余应力计算分析思路
1.1儿何模型及?格划分
利用有限元分析软件 ABAOUS,开发了一个多
某半管夹套发酵罐,设计压力0.3MPa,筒体内
次顺次耦合的计算程序米模拟焊接残余应力。所谓
径2200m,设计温度150℃,简体壁厚14m,半顺次耦合,即焊按温度场对线余应力的影响很大,而
管内径54m,厚6m,半管披为内坡山。半战カ场对温度场的影啊很小。先进行热分析,将
管、筒体均为導结构,相对一个半管而言,筒体的
各节点温度场的计算结果输出到结果文件作为力分
析的预定义场,在力分析过程中从此预定义场屮读
取各节点的温度,进行插俏计算。热分析和力分析
收稿:2006-03-17
基金项日:国家留学回国人科技活动择优资助项日(200209)
使用相同的元和节点。
焊接学报
第27卷
模型比较复杂,不仅具有半管对接焊缝,还包括热为3×10°kJ/kg,?相线1399℃,液相线1454
两条角焊缝,∏在对接焊缝与角焊缝交汇.处形成T℃。常温屈版强度254MPa,抗拉强度296MPa。
形接头。因此,共需进行二次耦合计算。先进行对1.4焊接1艺参数
接焊温度场计算,然后进行对接焊应力场耦合计算
对接焊维与角焊缝的焊接顺序对残余应力有着
再计算半管与筒体焊接的温度场,然后进行应力场‖常重要的影响。如果先焊们焊缝,邶么半管焊后
的耦合计算,同时将对接焊缝的应力场耦合进去,最将没有收缩余地,在对接焊缝间将留下较大的装配
终得到T形接头焊接残余应力。多次顺次耦合计算应力,这?装配应力?般表现为拉伸应力,极易造成
屎庐如图2所示。
焊接裂纹,降低焊的抗拉强度。此,需先焊对接
焊缝,然后再进行半管与筒体的组焊,这样可降低对
半管对接焊栩合1
半管对接焊
接焊缝应力,降低出现焊接裂纹的几率。对接焊缝
度场计算ー
应力场计算
采用Vv”形坡口形式,角焊缝采用内坡口形式,内表
而均采用氩气保护。焊接工艺参数如表1所示
合3
表1焊接Tど参数
接成、」想合2→接应力场计」
Table 1 Welding parameter
电压电流速度
焊缝
层次
图2T形接头残余应力多次顺次耦合计算程序
Fig 2 Mult-sequential couping FE calculation
对接焊缝1
2
4
procedure of welding residual stress for
角焊鏠
half-pipe T-joi
45°内歧11
1.5
130
2.5
在此多次耦合计算程序中,需要运单元生死1.5移动热源模拟
技术( element birth technique)米实现焊缝属的形
对于三维模型,(CTAW采用高斯热源就可以得
成。同时,在进行半管对接焊时,将简体以及炳条角
到满意的模拟结果。将电弧看成辐射状对称并成
焊缝屮元全部杀死:在进行半管筒体组焊时,再将
高斯分布作用于焊缝表而,用 FORTRAN诸言编5
简体单心以及两条角焊缝单元依次激活。这是因为热源子科序 DFLUX,在 ABAQUS中调州该子稈序进
在进行对接焊时,筒体不受影响,假如不将筒体や
行让算。对于角焊缝,随着时间t的变化,也弧中心
杀死,那么在半管起弧与收弧的地方,筒体受热以后
沿角焊缝表面作直线移动,实现了热源的移动,热输
将产生:较大的应力,与后面角焊缝焊接产生:的应力
入的高斯分布如x式(1)所示。关于半管对接焊缝,随
加,出现高应力区,与实际不符合。
着时间的变化,电弧中心随焊缝作环向不断移动,高
1.3材料热物理性能参数
斯分布为式(2)所示。功率P为
半管、筒体材料均为Ss304不锈钢。焊材和母
材的材料柑同,热力学性能与温度相关,并且假定材
料在高温状下物理性能(熔点以:)保持不变2。
B[(x vl)2
},(1)
具体物理性能和力学性能如图33所示。SS304的潜
热容p(102J℃-kg
3LR2+(R0--,2
},(2)
?3
导热系数よ(10W-m·℃-リ)
代中:U,1,v分别为电弧电压、电流、电弧移动速
度;r为电弧有效加热半径(95%的热流分布在范
弹性模
制以内);R为点(R,)到弧巾心的离;足
R /102MP
E/(10GPA
狐热效率常数,取为0.701:P。为最大功率。通过焊
泊松比
接时间的变化和焊接