管道环形焊缝残余应力数值模拟分析及焊接工艺优化

摘要

管道是现代常用的一种运送物料的设备，主要由焊接成型。像其它焊接结构一样，管道在焊接过程中同样经历急剧地非平衡加热及冷却过程，焊后产生焊接残余应力与变形，过大的焊接残余应力与变形势必影响到管道焊接接头或结构的承载能力、使用性能，甚至引起断裂。因此，对管道焊接残余应力的预测具有很重要的现实意义。本文采用数值模拟计算和实验相结合的方法研究管道焊接残余应力的分布规律，为工程实际应用提供理论依据。
　　本文阐述了焊接过程的数值模拟涉及到的温度场和应力场的基本理论以及数值模拟分析方法。在数值模拟计算过程中，采用软件提供的热-结构耦合功能，首先对管道环形焊缝的焊接温度场进行数值模拟计算，然后选用间接耦合法，将温度场的模拟计算结果作为载荷施加到应力场分析的计算中，就可以便捷快速地实现热-弹塑性应力数值模拟计算。为提高模拟计算的精度，对高温时的材料物理性能参数进行了适当的处理和选取，对焊缝处网格进行细化，选用常用的双椭球形体热源作为焊接熔池部分的内热源，采用APDL二次开发语言施加载荷并完成求解。
　　对管道焊接环形焊缝进行模拟计算，得到了管道焊接接头在不同时刻的温度场分布以及轴向、环向应力场分布。数值模拟结果与试验测量值相近，证明了有限元法能够有效地预测管道环形焊缝接头的焊接残余应力，可为焊接工艺参数的选取提供参考。
　　在上述的研究基础之上，选用正交试验设计方法，以焊接Von Mises应力作为评价标准，对电弧电压、焊接电流、坡口间隙和焊接速度四个因素进行正交试验设计。并利用有限元分析软件ANSYS对各种因素和各种水平对应的管道模型的焊接残余应力进行数值分析，从而获得了焊接残余应力为最小值时对应的焊接工艺参数。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 焊接温度场与应力场的研究历史与发展

1．2．1 焊接温度场的研究概况

1．2．2 焊接应力场的研究概况

1．3 管道焊接的研究现状

1．4 对焊接残余应力的影响因素

1．5 本文主要研究内容

2 有限元分析理论基础

2．1 有限元法分析的主要步骤

2．2 焊接过程有限元分析特点

2．3 焊接有限元分析热源模型

2．3．1 高斯函数分布的热源模型

2．3．2 双椭球型热源模型

2．3．3 分段移动热源模型

2．4 生死单元技术

2．5 焊接温度场分析理论

2．5．1 焊接传热的基本形式

2．5．2 热传导问题的基本方程

2．6 焊接应力场分析理论

2．6．1 热-弹塑性分析的特点和假定

2．6．2 热-弹塑性有限元理论

2．7 本章小结

3 管道对接环形焊缝温度场与应力场计算

3．1 基于ANSYS的热分析概述

3．2 焊接温度场的模拟计算

3．2．1 研究对象

3．2．2 有限元计算模型的建立

3．2．3 载荷的施加和求解

3．2．4 温度场模拟计算结果与分析

3．3 焊接应力场的模拟计算

3．3．1 间接法的前处理

3．3．2 定义边界条件和施加载荷

3．3．4 管道环焊缝的瞬态应力分布规律

3．3．5 焊缝中心在不同时刻的残余应力分布

3．3．6 轴向上距焊缝中心不同距离的位置残余应力分布

3．4 管道环形焊缝接头残余应力的形成机理

3．5 本章小结

4 选用切割法测定环形焊缝残余应力

4．1 切割法简要介绍

4．1．1 切割法测定残余应力的基本原理

4．1．2 切割法测定残余应力的仪器设备

4．1．3 切割法测定残余应力的测量过程

4．2 管道对接焊接头的焊接残余应力测量

4．3 数值计算结果与试验测量结果的比较分析

4．4 数值计算结果与试验测量结果误差分析

4．5 本章小结

5 基于正交试验设计方法的管道环形焊接工艺的优化

5．1 正交试验的基本概念

5．2 正交试验方案的设定

5．2．1 评定指标的确定

5．2．2 确定试验因素并选定适当水平

5．2．3 正交表的选用以及正交试验设计方案的确定

5．3 正交试验优化计算及分析

5．3．1 极差分析法原理

5．3．2 极差分析得到的优化结果

5．3．3 优化分析结果与测量结果的比较

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录 发表论文

致谢