王影 孫雪嬌 耿西陽(yáng) 韓佳桐

摘 要：本項(xiàng)目基于ANSYS軟件，對(duì)直徑為273mm、厚度為10mm的X60鋼管進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，利用間接模擬的方式對(duì)模型的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行佐證，最后通過(guò)對(duì)溫度、應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果的分析，不斷調(diào)整焊接工藝參數(shù)達(dá)到最優(yōu)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：管道焊接;溫度場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng);殘余應(yīng)力;有限元分析

0 前言

管道輸送因其運(yùn)輸量大、經(jīng)濟(jì)性好、安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于能源輸送領(lǐng)域，管道焊接質(zhì)量直接決定了管道的承載能力與運(yùn)輸效率，合理的焊接工藝參數(shù)可以提升焊接管道質(zhì)量和焊接效率，采用數(shù)值模擬技術(shù)可以節(jié)省大量的人力物力和工程周期，因此，如何運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行管道焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化研究就顯得尤為重要。

1 吊車(chē)桁架有限元分析前處理

模型采用全模型進(jìn)行模擬，共分10個(gè)體。其中，V型坡口焊縫為8個(gè)半環(huán)體，這是由于利用面旋轉(zhuǎn)生成體的過(guò)程至少需要2等分。本文在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)四道焊縫分別賦予了不同的材料號(hào)碼，分別為1，2，3，4，母材的材料號(hào)碼定義為5，便于后續(xù)通過(guò)材料號(hào)碼對(duì)焊縫體及相關(guān)單元進(jìn)行選取等操作。如圖1所示。

定義X60熱物理參數(shù)如表1所示。

2 吊車(chē)桁架殘余應(yīng)力有限元分析

第一道焊接中，焊接末及焊后冷卻6s及30s時(shí)溫度場(chǎng)，依次如圖2，圖3，圖4，圖5所示。

結(jié)果可見(jiàn)：（1）第一道焊縫焊接中及焊接末整體模型最高溫度產(chǎn)生在焊縫前端，最高溫度分別為1463.29℃，1488.88℃，均滿(mǎn)足施焊要求。（2）冷卻6s時(shí)，整體模型最高溫度已經(jīng)降至696.98℃，冷卻30s后最高溫度降低至225.7℃，此時(shí)主要組織相變已經(jīng)完成，整體模型溫度較低，從而防止了連續(xù)焊接帶來(lái)的較大熱應(yīng)力及變形，符合多道焊工藝設(shè)計(jì)要求。

第四道焊縫焊接初始，焊接末及焊后冷卻1000s，3500s時(shí)溫度場(chǎng)，依次如圖6，圖7，圖8，圖9所示。

結(jié)果可見(jiàn)：（1）第四道焊縫焊接初及焊接末模型整體最高溫度分別為1264.62℃，1294.34℃，略低于施焊要求。主要由于第四道焊縫橫截面最大，需要更大的體生熱率來(lái)滿(mǎn)足其焊接要求，因此，按照當(dāng)前焊縫設(shè)計(jì)工藝，可以在實(shí)際焊接過(guò)程中考慮兩個(gè)方向的改進(jìn)，一是改進(jìn)焊縫面積，盡量使得四道焊縫的橫截面積相同，從而利用同樣大小的熱輸入均可獲得滿(mǎn)意的焊接溫度，二是改進(jìn)焊接工藝參數(shù)，在第四道焊縫焊接時(shí)適當(dāng)增大焊接電流即可。本文在第四章中也將通過(guò)更改焊接電流進(jìn)行改進(jìn)后的焊接溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)模擬來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。（2）冷卻1000s及3500s后最高溫度分別降低至271.78℃，43.26℃，這個(gè)時(shí)候整體模型的溫度已經(jīng)接近于室溫，并且焊接區(qū)的溫度已基本相同，在這種狀態(tài)下已經(jīng)可以評(píng)估殘余應(yīng)力的結(jié)果。

3 結(jié)論

本文焊接溫度場(chǎng)模擬比較合理，整個(gè)模型在焊接過(guò)程中達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，焊接溫度平穩(wěn)，并冷卻至接近室溫，滿(mǎn)足焊接變形，殘余應(yīng)力計(jì)算要求。同時(shí)，本章所設(shè)計(jì)焊接工藝存在尚需改進(jìn)之處，如第四道焊縫焊接溫度偏低，作為焊接工藝改進(jìn)的一項(xiàng)，本文將在第四章進(jìn)行改進(jìn)模擬并對(duì)比本章計(jì)算結(jié)果。

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基金：營(yíng)口理工學(xué)院2020年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（112301001）

作者簡(jiǎn)介：王影（1985-），女，遼寧營(yíng)口人，研究生，主要研究方向：機(jī)械工程。