曲瑞波，郭雨菲，徐少可

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 河南洛陽 471000

1 序言

國際海事組織（IMO）頒布的《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》于2017年9月8日正式生效，2019年1月22日起在我國正式生效，壓載水處理系統(tǒng)作為海洋環(huán)保領(lǐng)域的重要設(shè)備已經(jīng)得到了大批量安裝。自動(dòng)反沖洗過濾器作為大多數(shù)壓載水處理系統(tǒng)前處理的關(guān)鍵設(shè)備，影響著壓載水處理系統(tǒng)性能正常發(fā)揮[1]。壓載水過濾器依據(jù)工作原理主要分為直接反沖洗式過濾器和吸吮掃描式反沖洗過濾器兩種，本文所述的自動(dòng)反沖洗過濾器為吸吮掃描式自動(dòng)反沖洗過濾器[2]。徐莉萍等[3]對(duì)船舶壓載水過濾器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，仿真技術(shù)可以為過濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。王全柱等[4]對(duì)影響船舶壓載水過濾器運(yùn)行時(shí)長的要素進(jìn)行了分析研究，提出過濾器結(jié)構(gòu)是制約過濾器壽命的關(guān)鍵因素，因此研究如何有效提高壓載水過濾器的生產(chǎn)制造效率也很重要。吸吮掃描式過濾器中濾筒支座結(jié)構(gòu)一般是通過先焊接成形留出余量再進(jìn)行機(jī)械加工，故對(duì)濾筒支座結(jié)構(gòu)焊接順序和焊接變形進(jìn)行研究，對(duì)于過濾器生產(chǎn)制造效率的提高是很有必要的。

基于有限元理論的仿真計(jì)算方法主要有兩種：一種是熱彈塑性法；另一種是基于固有應(yīng)變的彈性有限元法，二者都能夠一定程度上計(jì)算預(yù)測構(gòu)件的焊接變形[5-7]。梁偉等[8]研究了薄板的焊接結(jié)構(gòu)變形，改進(jìn)了固有變形法，計(jì)算結(jié)論和彈塑性法結(jié)論基本一致。MALIK等[9]研究了焊接順序的差異在焊接過程中是如何影響其結(jié)構(gòu)變形的；LEE等[10]研究了焊接殘余應(yīng)力隨殼體結(jié)構(gòu)尺寸差異出現(xiàn)的變化，歸納出板材厚度對(duì)于薄壁殼體焊接殘余應(yīng)力計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的不同結(jié)果。WARMEFJORD等[11]通過試驗(yàn)表明了零件定位偏差對(duì)焊后尺寸的改變，同時(shí)指出最后的裝配偏差與零件、夾具精準(zhǔn)度及由焊接引起的變形有密切關(guān)系。RENZI等[12]分別用熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法研究了零件尺寸公差及在熱輸入存在波動(dòng)的情況下鋁板的焊接角變形情況，并比較了兩種方法在計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間方面的優(yōu)劣性。本文運(yùn)用ANSYS軟件，利用熱彈塑性方法對(duì)過濾器濾筒支座的6種焊接順序進(jìn)行了模擬分析，通過對(duì)比不同計(jì)算結(jié)果，分析得出濾筒支座的最優(yōu)焊接順序，為壓載水過濾器生產(chǎn)制造提供有價(jià)值的理論依據(jù)。

2 濾筒支座物理模型的建立

2.1 有限元模型的建立

濾筒支座由3個(gè)零件組合焊接而成，焊縫形式為角焊縫。零件1為環(huán)形板，材質(zhì)為Q355R鋼，尺寸為（φ888～φ677）mm×30mm。零件2為圓柱形，材質(zhì)為S31603鋼，尺寸為（φ673～φ645）mm×60mm。零件3為環(huán)形板，材質(zhì)為S31603鋼，尺寸為（φ643～φ570）mm×23mm。濾筒支座組焊件的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濾筒支座組焊件

由于實(shí)體模型尺寸過大，有限元分析計(jì)算時(shí)網(wǎng)格太多，比較耗時(shí)，所以有限元模擬時(shí)采用1/4軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 單元選擇和網(wǎng)格劃分

為保證焊接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)零件焊接部位坡口形式為單邊V形。計(jì)算過程中材料假定為各向同性，焊接速度固定不變，不考慮焊縫熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及攪拌、對(duì)流。先選用熱單元Solid70和板單元Plane55進(jìn)行濾筒支座焊接溫度場的計(jì)算，完畢后再選用單元Solid185進(jìn)行結(jié)構(gòu)場的分析模擬。仿真計(jì)算是通過有限元軟件ANSYS，基于焊接熱物理方程，采用熱-力間接耦合算法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行研究。首先計(jì)算焊接過程中的溫度場分布，其次將焊接加熱和冷卻過程的溫度場讀入，作為熱載荷施加到模型上進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力計(jì)算[13，14］。

綜合權(quán)衡計(jì)算量和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格尺寸選擇為5mm。對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)劃分網(wǎng)格，最終總的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為26574R，單元個(gè)數(shù)為21522R。濾筒支座模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 材料特性

材料的熱溫度和力學(xué)性能都是與材料溫度相關(guān)聯(lián)的函數(shù)，參數(shù)設(shè)定直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。焊接過程中溫度的突變會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的材料非線性，ANSYS計(jì)算過程中材料物理參數(shù)的獲得方法是通過已有的幾個(gè)定溫度點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，由線性插值法計(jì)算得到[15]。模擬采用的材料有兩種，分別為Q355R鋼和S31603鋼，性能隨溫度的變化見表1和表2。

表1 Q345R鋼熱物理及力學(xué)性能

表2 S31603鋼熱物理及力學(xué)性能

2.4 焊接參數(shù)選取和熱源模型的選擇

濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)采用GTAW手工氬弧焊，焊絲材料為ER309LMo，φ3.2mm，焊接電流為180A，電弧電壓為20V，焊接速度為2mm/s，焊接熱效率為0.75，電弧有效加熱半徑為6mm，室溫設(shè)定為20℃。

焊接時(shí)，電弧熱源需要通過一定的作用面積才能夠把熱量傳遞給工件，這個(gè)作用區(qū)域也稱為加熱斑點(diǎn)。加熱斑點(diǎn)上熱量分布是不均勻的，中心熱量多而邊緣相對(duì)少。

熱源模型采用高斯模型。其中，電弧熱功率為

式中U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

k——焊接熱效率。

加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度為

式中r——加熱半徑（mm）。

3 不同焊接順序下變形模擬計(jì)算

3.1 濾筒支座焊接順序的確定

對(duì)濾筒支座結(jié)構(gòu)件的4條焊縫進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。依據(jù)焊接次序的不同能夠得到6種焊接方案，具體見表3。

圖4 焊縫編號(hào)

表3 6種方案的焊接順序

3.2 焊接結(jié)構(gòu)溫度場

溫度場計(jì)算完畢后，為下一步預(yù)測焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與變形打下基礎(chǔ)。熱源經(jīng)過時(shí)，焊件溫度快速升高，直至最大值；熱源經(jīng)過后，焊件溫度則迅速下降，并且溫度下降速度逐漸放緩，最終趨于環(huán)境溫度。濾筒支座組件焊接過程中的溫度場如圖5所示。

圖5 濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)溫度場

3.3 應(yīng)力場分析

隨著濾筒支座組件焊接過程的不斷推進(jìn)，能夠發(fā)現(xiàn)前一道焊縫的焊接殘余應(yīng)力集中區(qū)域緩慢縮小，其應(yīng)力峰值也緩慢降低，當(dāng)焊接加工結(jié)束后焊接的焊縫周圍屬于應(yīng)力峰值區(qū)域主要集聚區(qū)。焊接過程中熱量主要集中在焊縫區(qū)域，隨著焊條和母材的不斷熔化，焊接殘余應(yīng)力主要由材料的膨脹造成。計(jì)算結(jié)論顯示，焊接順序?qū)附討?yīng)力的影響很小，6種焊接方案得到的應(yīng)力分布近似相同，等效應(yīng)力集中在焊縫區(qū)域，最高值為1040MPa，已經(jīng)達(dá)到材料的屈服極限，如圖6所示。

圖6 支座焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力場

3.4 焊接變形分析

對(duì)濾筒支座進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力模擬分析，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，不同的焊接方案都有明顯的焊接變形，但是各方案中焊接變形差異并不大。6種方案的焊接變形見表4，從表中可以發(fā)現(xiàn)，方案3中焊接順序的變形相對(duì)較小，綜合殘余應(yīng)力可認(rèn)為方案3中構(gòu)件的焊接質(zhì)量最好。據(jù)此計(jì)算數(shù)據(jù)，設(shè)定濾筒支座零件豎直方向上的機(jī)加工余量預(yù)留為3mm，在后續(xù)過濾器生產(chǎn)制造過程中，針對(duì)零件2和零件3的焊后加工都能順利完成，因此可認(rèn)為有效驗(yàn)證了模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)于過濾器濾筒支座的焊接和機(jī)加工具有指導(dǎo)意義，有助于提高過濾器生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

表4 不同方案的最大焊接變形量 （mm）

4 結(jié)束語

1）基于ANSYS采用間接法所進(jìn)行的濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)過程模擬分析是有效的，計(jì)算結(jié)果表明，在熔合區(qū)焊接殘余應(yīng)力達(dá)最大值，焊根處殘余應(yīng)力較??；在熱影響區(qū)殘余應(yīng)力變化較大。

2）計(jì)算結(jié)果表明，基于ANSYS進(jìn)行的過濾器濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)模擬分析能夠?yàn)檫^濾器其他類似結(jié)構(gòu)加工余量的預(yù)留提供理論數(shù)據(jù)支撐，有助于壓載水過濾器生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。