压力容器焊接应力与工作应力耦合的数值模拟

摘要

压力容器接头中焊接残余应力的存在严重威胁结构使用的安全性，在长期使用下易引起接头产生疲劳裂纹扩展与早期断裂失效，造成重大恶性事故。
　　本文利用ANSYS大型有限元软件对Ⅱ类压力容器冷凝罐主体焊接接头的焊接温度场、应力场和残余应力场进行了三维有限元模拟。文中首先讨论了逐步激活焊缝单元的生死单元方法和逐层激活焊缝单元的生死单元方法对焊接应力分析的影响，并通过实验检测对这两种方法模拟的结果进行了对比。结果表明采用逐步激活的生死单元方法优于逐层激活的方法。
　　采用逐步激活的生死单元法，对冷凝罐中筒节与封头连接的环缝接头、筒节纵缝接头、筒节与接管连接的马鞍形接头三类主体焊缝的焊接过程进行了模拟，其中针对马鞍形焊缝空间轨迹的特殊性编写了沿该轨迹移动的热源方程，满足了筒节与接管接头的三维动态温度场、瞬时应力场和残余应力场分析的需求。之后对三类接头模型继续施加内压工作载荷，分析并比较了接头中的应力变化。
　　从温度场模拟的结果可知，焊接温度场首、尾端存在一定长度的过渡段，过渡段的温度分布主要与模型的对称简化处理方法有关，对后续该部位的应力分布结果具有一定程度的影响。
　　从应力场模拟的结果可知，在焊接过程中，熔池前方的金属主要受到压应力的作用，后方主要受拉应力作用，而熔池中的应力最低。冷却后环缝与纵缝接头中的焊接残余应力主要集中在焊缝区和热影响区。环缝接头中的周向与轴向应力峰值位于内层焊道中。纵缝接头中的周向应力峰值位于外层焊道中，轴向应力峰值位于内层焊道中。两类接头中焊接残余应力分布的共同特征是：沿焊缝纵向的应力均高于垂直于焊缝的横向应力。
　　筒节与接管马鞍形接头中沿接管周向的残余应力明显高于另两个方向。在接头的焊趾与焊根部位均存在一定程度的应力集中，且为三向拉伸应力，筒节一侧的焊趾部位为裂纹多发部位。
　　三类接头的焊接残余应力与工作应力叠加后，接头的应力状态没有太大变化，其中环缝和纵缝接头中的应力峰值有所提高，马鞍形焊缝接头的内部应力得到部分释放。

目录

文摘

英文文摘

致谢

插图清单

表格清单

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 压力容器分析的发展与现状

1.3 有限元分析介绍

1.4 焊接有限元分析的发展概况

1.4.1 焊接温度场的有限元分析概况

1.4.2 焊接应力场的有限元分析概况

1.4.3 生死单元技术的应用

1.5 本课题的主要研究内容

第二章 焊接有限元分析理论与模拟过程

2.1 焊接温度场有限元理论

2.2 焊接应力场有限元理论

2.3 焊接有限元分析特点

2.4 基于ANSYS的焊接模拟过程

2.4.1 焊接温度场的模拟

2.4.2 应力场分析

2.4.3 结果后处理

2.5 本章小结

第三章 生死单元法对焊接残余应力的影响

3.1 前言

3.2 T92钢管焊接

3.3 焊接温度场模拟

3.3.1 有限元模型

3.3.2 热源加载

3.3.3 生死单元技术

3.3.4 边界条件与求解

3.3.5 温度场模拟结果对比

3.4 焊接应力场模拟

3.4.1 焊接应力场计算

3.4.2 残余应力场模拟结果对比

3.5 焊接残余应力测试与验证

3.5.1 盲孔法测应力原理

3.5.2 实验过程

3.5.3 模拟值与实测值对比

3.6 本章小结

第四章 冷凝罐环焊缝焊接应力的数值模拟

4.1 压力容器产品介绍

4.2 本章研究内容

4.3 焊接模拟过程

4.3.1 实体建模

4.3.2 有限元网格划分

4.3.3 加载与求解

4.3.4 焊接应力场的模拟

4.4 温度场模拟结果

4.5 焊接应力场模拟结果

4.5.1 瞬时应力场模拟结果

4.5.2 残余应力场模拟结果

4.6 本章小结

第五章 冷凝罐筒节纵缝接头焊接应力的数值模拟

5.1 焊接模拟过程

5.2 温度场模拟结果

5.3 应力场模拟结果

5.3.1 瞬时应力场模拟结果

5.3.2 残余应力场模拟结果

5.4 本章小结

第六章 冷凝罐筒节与接管焊接应力的数值模拟

6.1 焊接模拟过程

6.1.1 实体建模与有限元网格划分

6.1.2 热源方程的推导与加载

6.1.3 温度场与应力场求解

6.2 温度场模拟结果

6.3 焊接应力场模拟结果

6.3.1 瞬时应力场模拟结果

6.3.2 残余应力场模拟结果

6.4 本章小结

第七章 冷凝罐焊接应力与工作应力的耦合分析

7.1 求解过程

7.1.1 分析方法

7.1.2 分析过程

7.2 模拟结果

7.2.1 环焊和纵焊接头应力复合后的应力分布

7.2.2 筒节与接管接头中的应力变化

7.3 本章小结

第八章 结论

结果分析与展望

参考文献

研究生期间发表的论文