韋 康 呂 濤 張志蓮 肖云峰

(1. 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院；2. 北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法得到極大的推廣，該方法可以避免依靠經(jīng)驗(yàn)的無定量性和依靠試驗(yàn)的大量耗費(fèi)成本性缺點(diǎn)，從而提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)成本。筆者運(yùn)用專用有限元軟件Hypermesh對(duì)模型劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，通過焊接專用有限元軟件Sysweld提取焊縫的熱循環(huán)曲線，將熱循環(huán)曲線作為數(shù)值模擬的載荷進(jìn)行加載，通過大型通用有限元軟件Abaqus并采用熱彈塑性有限元法和生死單元法對(duì)汽輪機(jī)低壓缸端板的焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到該結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。

1 模型建立及焊接工藝

1.1端板模型建立

低壓缸端板模型如圖1所示，端板由底板和加強(qiáng)板焊接而成，加強(qiáng)板焊接在底板上以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該結(jié)構(gòu)內(nèi)圈半徑R1為3 250mm，外圈半徑為R2為7 050mm，底板厚25mm，加強(qiáng)板厚25mm。端板結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為減少模擬計(jì)算量，取端板結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行模擬。端板采用結(jié)構(gòu)化8節(jié)點(diǎn)的六面體單元，計(jì)算溫度場(chǎng)采用DC3D8單元類型，計(jì)算熱應(yīng)力采用C3D8R單元類型，端板的單元數(shù)為133 379，節(jié)點(diǎn)數(shù)為186 656。該結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 端板幾何模型

圖2 有限元網(wǎng)格模型

為保證計(jì)算的精確度，劃分網(wǎng)格時(shí)需將焊縫周圍網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，遠(yuǎn)離焊縫位置網(wǎng)格劃分較稀疏，如圖3所示。

圖3 局部有限元網(wǎng)格

1.2熱源模型

焊接熱源模型應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接過程進(jìn)行選擇。雙橢球(Double ellipsoid)熱源模型(圖4)是至今為止被公認(rèn)最接近的焊接熱源模型，且該結(jié)構(gòu)采用CO2氣體保護(hù)焊的焊接工藝，選用雙橢球熱源模型可以精確地模擬計(jì)算、提高計(jì)算效率[9]。

最近，我不愿一直在家閑著，打算開家雜貨店自食其力。只是我一人難以打理店面，所以期盼父親能回來幫我一把。

圖4 雙橢球熱源模型

雙橢球熱源函數(shù)表達(dá)式如下：

其中，Qf為前段輸入的熱流密度，Qr為后段輸入的熱流密度，其他參數(shù)為熱源形狀參數(shù)。

1.3焊接工藝

該端板結(jié)構(gòu)的材料為ZG15Cr1MoA，該材料為鐵素體類低合金熱強(qiáng)鋼，具有良好的鑄造工藝性能和焊接性。焊接工藝采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲采用H08CrMnSiMo，焊接速度5mm/s，電壓30V，電流280A，熱輸入效率70%，焊接前進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為150℃。

端板實(shí)際焊接時(shí)，先將槽鋼點(diǎn)焊在底板上，保證焊接時(shí)加強(qiáng)板與底板位置的相對(duì)固定。該結(jié)構(gòu)的焊縫數(shù)量較多、分布密集，為減小焊接變形，結(jié)合焊接經(jīng)驗(yàn)，端板焊接時(shí)采用對(duì)稱焊接的方法，焊接順序如圖5所示。該結(jié)構(gòu)均采用平面約束的方法模擬實(shí)際焊接中放在地面上的焊接邊界條件。

圖5 焊接順序

2 熱循環(huán)曲線與生死單元

2.1熱循環(huán)曲線

在焊接過程中，焊件上任一點(diǎn)的溫度都經(jīng)歷由低到高的升溫階段，達(dá)到最大值后，又經(jīng)歷由高到低的降溫階段。焊接熱循環(huán)曲線包含了焊接接頭溫度變化及冷卻相變等重要信息，這些信息對(duì)于了解焊接冷卻相變過程、接頭組織及應(yīng)力變形等具有重要意義[10]。為更精確地反映實(shí)際焊接時(shí)焊縫熱量的輸入，通過焊接模擬專用有限元軟件，模擬汽輪機(jī)端板實(shí)際焊接過程中焊縫部位的熱循環(huán)曲線(圖6)，在Abaqus計(jì)算時(shí)采用熱循環(huán)曲線加載方式進(jìn)行加載。

圖6 端板焊接熱循環(huán)曲線

2.2生死單元

單元生死技術(shù)是指在有限元分析過程中，通過參數(shù)控制某些單元在一定時(shí)間內(nèi)的生和死。在單元生時(shí)，將該單元?jiǎng)偠染仃嚭洼d荷矩陣計(jì)算到總體剛度矩陣和載荷矩陣中；單元死時(shí)，該單元的剛度矩陣和載荷矩陣被賦予一個(gè)小量，相當(dāng)于不將剛度矩陣和載荷矩陣計(jì)算到總體的剛度和載荷矩陣中[11，12]。

為了模擬實(shí)際的焊接過程和結(jié)構(gòu)之間力的傳遞，在模擬計(jì)算汽輪機(jī)端板焊接中，采用生死單元技術(shù)。在焊接第一條焊縫時(shí)，其他幾條焊縫單元都被殺死，后面的焊縫焊接時(shí)，焊接一條焊縫激活一條焊縫單元。

3 焊接數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

該端板是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，端板1/2結(jié)構(gòu)上共有16條焊縫，總體上焊縫呈對(duì)稱分布。運(yùn)用Abaqus計(jì)算時(shí)采用間接熱力耦合方法，即先計(jì)算溫度場(chǎng)分布情況，再將計(jì)算所得溫度場(chǎng)作為荷載加載，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)分布。溫度邊界條件為環(huán)境溫度20℃，對(duì)流換熱系數(shù)取0.02mW/mm2·℃；應(yīng)力邊界條件為約束端板的幾何末端，采用平面約束的方法約束低壓缸端板。

3.1溫度場(chǎng)結(jié)果

采用生死單元技術(shù)并將熱循環(huán)曲線作為荷載加載后，計(jì)算得到端板焊接溫度場(chǎng)分布情況，圖7所示為第一道焊縫焊接完成時(shí)的溫度場(chǎng)分布和最后一道焊縫焊接完成時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況。

a. 第一道焊縫

b. 最后一道焊縫

由溫度場(chǎng)分布可以看出，由于焊接部位的不同，在相同的焊接熱量輸入下得到的焊縫溫度場(chǎng)分布也不完全相同。

3.2焊接應(yīng)力和焊接變形結(jié)果

將計(jì)算得到的溫度場(chǎng)結(jié)果作為計(jì)算焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的熱載荷，得到汽輪機(jī)低壓缸端板焊接殘余應(yīng)力如圖8所示，焊接變形如圖9所示。

a. 端板Mises應(yīng)力

b. 最大Mises應(yīng)力

a. Norm方向

b. x軸方向

c. y軸方向

d. z軸方向

由焊接殘余應(yīng)力云圖可以看出，低壓缸端板的焊接殘余應(yīng)力基本都小于650MPa，最大的焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上，主要原因是由于結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格不連續(xù)造成的，另外焊接塑性區(qū)的選取也有影響，局部幾個(gè)積分點(diǎn)的應(yīng)力過大不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)焊接變形量的計(jì)算和計(jì)算精度。

由焊接變形云圖可以看出，汽輪機(jī)低壓缸端板的焊接變形主要表現(xiàn)在厚度方向和x軸方向，最大的焊接變形量為13.090 0mm。在長(zhǎng)、寬的方向和y、z軸方向變形量較小，y軸方向的最大焊接變形量為1.285 0mm，z軸方向的最大焊接變形量為0.866 8mm。

3.3焊接變形結(jié)果對(duì)比

在現(xiàn)場(chǎng)焊接完成冷卻后，測(cè)得端板內(nèi)外圈共20個(gè)測(cè)量點(diǎn)的焊接變形，將數(shù)值計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

圖10 端板測(cè)量點(diǎn)的焊接變形

總體來看，實(shí)際測(cè)量的焊接變形量與計(jì)算結(jié)果吻合良好；在20個(gè)測(cè)量點(diǎn)中有18個(gè)點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算值比實(shí)際測(cè)量值小，主要原因是沒有準(zhǔn)確的材料高溫?zé)嵛锢韰?shù)，其次是由于在計(jì)算過程中添加的約束與實(shí)際情況有一定的差別。

4 結(jié)論

4.1采用焊接熱循環(huán)曲線加載，可以準(zhǔn)確地模擬焊接加熱和冷卻過程中節(jié)點(diǎn)溫度的變化情況，使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加精確。

4.2從端板的焊接變形云圖可以看出，要減小焊接變形量，可以在端板的外端加強(qiáng)筋焊接處添加約束，可以減小焊接變形。

4.3通過比較焊接變形數(shù)值計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值，分析出焊接變形計(jì)算值誤差在20%以內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算汽輪機(jī)側(cè)板焊接變形的準(zhǔn)確性和精確性。

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