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建筑类职称论文发表基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数
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焊接已成为钢结构中最重要和最普遍的连接方式，但由于焊接过程中不均匀温度场使材料局部屈服，产生塑性变形，当温度恢复到初始均匀状态时，就会产生残余应力。本文主要针对基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数进行了一些研究，文章是一篇 建筑类职称
　　焊接已成为钢结构中最重要和最普遍的连接方式，但由于焊接过程中不均匀温度场使材料局部屈服，产生塑性变形，当温度恢复到初始均匀状态时，就会产生残余应力。本文主要针对基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数进行了一些研究，文章是一篇建筑类范文。
　　摘 要：针对平板对接焊焊接时的热应力特征，采用高斯移动热源模式和通用有限元软件ANSYS进行了焊接温度场和应力场的耦合模拟分析。分析中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，得到了焊后残余应力的大小与分布规律。建立了多组有限元数值模型，对比分析了焊接有效热功率、材料屈服强度、板厚和焊接速度对焊接残余应力的影响。得到了焊接残余应力大小及分布规律与各焊接参数之间的关系。
　　关键词：平板对接焊,残余应力,数值模拟,参数研究
　　Abstract： According to the thermal stress characteristics of butt welding with flat plate， using the Gaussian heat source model， the coupling-calculation of temperature field and welding residual stress filed is carried out with general finite element software ANSYS. The thermo-physical performance parameters and mechanics performance parameters as the functions of temperature are taken into consideration. Multiple sets of finite element numerical model is established， and the influence of welding parameters such as effective thermal power， material yield strength， thickness of plate and welding speeding to the welding residual stress is analyzed. The relationship between the distribution rule of the residual stress and the welding parameters is obtained.
　　Keywords： flat plate of butt-
parameter study
　　国内外研究表明焊接残余应力对于结构的静强度、疲劳强度、应力腐蚀等都有至关重要的影响[1，2]。焊接残余应力大小和规律的评估具有重要的工程意义。目前残余应力的测试手段很多[2]，并能达到一定的精度，但费时较长、经济耗费较大。而随着有限元方法的不断完善和计算机运算能力的不断提高，数值模拟逐渐显示其优势，并能较准确的模拟焊接残余应力的形成过程[3]。本文针对最常用的平板对接焊，采用ANSYS软件建立了多种不同焊接参数的三维有限元数值模型，采用间接耦合的方法对焊接温度场和应力场进行了数值模拟，对不同参数对残余应力大小和分布规律的影响进行了详细研究。
　　1.模型的建立
　　1.1建模
　　采用大型通用有限元软件ANSYS建立焊接结构的三维有限元模型进行弹塑性分析。共设计了四组模型，分别用来确定焊接有效热功率 ，材料屈服强度 ，板厚 、焊接速度 对焊接残余应力的影响。各组模型参数如表1-表4所示。
　　为减小计算量，考虑到对称性，建立半结构模型，如图1所示。在焊缝附近，网格划分较小，在远离焊缝区域，单元可适当划大。半结构模型对称面采用对称约束，为避免刚体位移同时也不对结构产生较大的约束，在远离焊缝的两个角点处施加固定约束。
　　1.2材料特性
　　对于本文所研究的低碳钢，其热物理参数按参考文献[4]取值，如表5所示，考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，并将相变潜热换成等效比热容来考虑相变的影响[5]，焊接材料的塑性强化模式选用双线性等向强化模型。
　　1.3焊接热源与软件的实现
　　对于手工电弧焊，数值模拟时采用高斯移动热源[6]，如图2所示：
　　采用单元死活来模拟焊缝材料的融敷，在焊接热源到达之间，焊缝单元为&杀死&状态，焊接热源达到后，将其&激活&。两块试件焊接时，先焊接上表面，再焊接下表面，两次焊接时间间隔取为30分钟。
　　2.数值模拟结果
　　2.1温度场数值模拟结果
　　焊接应力场的数值模拟采用间接法[7]，必须先进行焊接温度场的数值模拟，限于篇幅，仅列出部分结果，其他类似。图3为I-4模型的焊接准稳态温度场云图，图4为焊接过程中距离焊缝中心不同距离各点的热循环曲线，表6为不同有效热功率作用下焊缝中心的最高温度。
　　由图3可知，焊接热温度场为准稳态温度场，焊接有效热功率越大，焊接熔池的尺寸就越大，焊缝中心温度也越高。由图4可知，在焊接电弧到达该截面前，该处的温度基本不变，当焊接电弧到达该截面后，该截面上各点温度值迅速升高，这符合高斯快速移动热源的温度分布规律[8]。由表6可知，当焊接热功率较小时(加热斑点处温度不足以熔化金属母材)，焊缝中心最高温度与有效热功率近似成比例增加，当焊接热功率超过一定值后，焊缝中心最高温度几乎不变，但是熔池尺寸将随着焊接热功率的增加而增加。不同焊接参数模型的温度场分布基本一致，均为准稳态温度场，这里不再赘述。
　　2.2应力场数值模拟结果 　　对于残余应力，可分为沿焊缝方向的纵向残余应力 ，垂直于焊缝方向的横向残余应力 和沿板厚度方向的残余应力 ，本文只研究纵向焊接残余应力的数值模拟结果。图4为I-4模型纵向焊接残余应力场云图，其它模型类似。图5为焊接模型示意图，图6为距焊缝中心不同距离测点热应力随时间变化曲线。由图6可知，在焊接过程中，测点1，2应力值由无应力状态变到压应力最大，再变到拉应力最大，在焊接完成(16s)后，应力趋于稳定，此即为焊接残余应力。测点3由于离焊缝较远，其应力时程曲线和测点1，2相反。图7为纵向焊接残余应力沿垂直于焊缝方向的分布规律曲线，由图可知， 成压-拉-压的规律分布，在焊缝中心处有残余应力最大值，为236MPa，基本等于材料的屈服强度。
　　3.参数分析
　　3.1有效热功率对焊接残余应力的影响
　　图8为不同有效热功率模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的分布规律。由图可知，纵向残余应力沿Y轴均成压-拉-压交替分布，并且在焊缝中心处应力达到最大值。不同有效热功率对残余应力分布规律的影响主要表现在受压区的形状上，有效热功率越大，受压区的面积越大，最大压残余应力也越大，这主要是因为：有效热功率越大，则焊接熔池的范围也越大，导致降温后产生拉伸残余应力的范围越大，而为了拉伸残余应力平衡，压残余应力的面积和大小也相应增大。
　　3.2屈服强度对焊接残余应力的影响
　　图9为不同屈服强度材料模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果。由图可知，纵向残余应力沿Y轴仍成压-拉-压交替分布，不同屈服强度材料模型的残余应力分布规律基本一致，最明显的区别在于最大拉应力的值，在焊缝中心处有最大拉残余应力，其值与材料的屈服强度近似相等。
　　3.3板厚对焊接残余应力的影响
　　图10为不同板厚模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果。由图可知，板厚越大，则焊缝中心处的拉伸残余应力越大，且压应力区范围越大，但压应力的峰值越小;板厚越小，拉残余应力的峰值越小，但压残余应力的峰值越大，且在远离焊缝的位置可能再次出现拉应力。出现这种情况的原因是：①板厚越大，其受到的自身约束就越大，因此拉残余应力越大;②板厚越小，则热传递更为迅速，热源影响的范围越大，因此导致远离焊缝的位置出现拉残余应力。
　　3.4焊接速度对焊接残余应的影响
　　图11为不同焊速模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果，由图可知，焊速对残余应力分布规律的影响不太明显，焊速越快则焊接拉应力的区域越大。
　　4.结论
　　采用大型通用有限元软件ANSYS建立了平板对接焊结构的三维有限元模型，进行了焊接温度场和应力场的数值模拟。对比分析了焊接有效热功率，材料屈服强度，板厚和焊接速度对焊接残余应力的影响。得到了以下结论：
　　(1)纵向残余应力沿Y轴均成压-拉-压交替分布，并且在焊缝中心处应力达到最大值。不同有效热功率对残余应力分布规律的影响主要表现在受压区的形状上，有效热功率越大，受压区的面积越大，最大压残余应力也越大。
　　(2)不同屈服强度材料模型的残余应力分布规律基本一致，最明显的区别在于最大拉应力的值，材料屈服强度越大，则最大拉残余应力也越大，其值与材料的屈服强度近似相等。
　　(3)板厚越大，则焊缝中心处的拉伸残余应力越大，且压应力区范围越大，但压应力的峰值越小;板厚越小，拉残余应力的峰值越小，但压残余应力的峰值越大，且在远离焊缝的位置可能再次出现拉应力。
　　(4)焊速对残余应力分布规律的影响不太明显，焊速越快则焊接拉应力的区域越大。
　　参考文献
　　[1] 米谷茂(日)著.朱荆璞、邵会孟译.残余应力的产生与对策[M].北京：机械工业出版社，1983
　　[2] 宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京：中国石化出版社，2005
　　[3] 刘李、阮剑平、赵章焰.焊接温度场和残余应力的数值模拟.热加工工艺，)：153-155
　　[4] 马庆芳等.实用热物理性质手册[M].北京：中国农业机械出版社，1986
　　[5] 赵明、武传松、陈茂爱.焊接热过程数值分析中相变潜热的三种解决方案[J].焊接学报，2006(09)：55-58
　　[6] Eager.T.W，Tsai N.S. Temperature fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal， )： 346-355
　　建筑类职称论文发表期刊推荐《智能建筑电气技术》主要介绍电气、智能建筑的设计、施工、设备安装、调试、系统集成、网络技术等，报道内容既有理论研究的传播、又有实践经验的交流，包括电气、智能建筑行业的新技术、新设计、新工艺、新设备、新规范、新标准，以及国内外建筑电气及智能建筑技术方面相关动态。
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平板对接温度场及应力-应变场模拟
北京工业大学机械工程专业，北京（100022）
摘 要：本文是通过使用计算机模拟技术，用ANSYS 软件模拟平板对接焊接工艺的温度场，
并用间接求解的方法计算出焊接残余应力场。作者对比了面部加载高斯热源和内部热生成这
两种方法，总结两种热源的优缺点，并将两者结合起来作为一种复合热源。复合热源的计算
结果与传统的分析结果和理论相吻合。
关键词：计算机模拟；温度场；残余应力场；复合热源
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，由于高度集中的瞬时热输 入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊 接收缩、焊接翘曲)，而这是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在 不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。焊接应力和变形不但可能 引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如 强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设 计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的[1][2]。随着大规模工业生产和高 新技术的发展，焊接结构正朝着大型化、复杂化、高容量、高参数方向发展，其复杂程度越 大，工作条件越苛刻，造成焊接事故也越频繁，危害性也越大，所以提高和保证焊接质量已 经成为当前焊接中的关键问题。
焊接过程中局部集中的热输入，使焊件形成非常不均匀、不稳定温度场。温度场不仅直 接通过热应变，而且还间接通过显微组织变化引起相变应变决定焊接残余应力。因此，温度 场的分析是焊接应力和变形分析前提[3]。本文就是利用大型通用的有限元软件ANSYS 对焊 接温度场、应力场和变形进行了计算机的三维实时动态数值模拟，通过先计算焊接温度场， 再把温度场结果作为应力和变形计算时的载荷，从而得到任何时刻、任何点的焊接应力、变 形的具体计算数值，这无论是对焊接设计还是工艺都很有价值。
2 平板对接温度场模拟
2.1 材料物理性能参数以及单元类型的选择
由于是探讨性的模拟，所以模型假设为100mm×50mm×6mm，电弧中心沿Z 方向移动。 并用以下命令流依次定义导热系数，比热容以及密度用于进行温度场模拟。
mp,kxx,1,66.6
mp,c,1,460
mp,dens,1,7800
单元类型的选择原则为 1.必须具备单元生死功能 2.具有耦合功能，可以进行热-应力耦 合分析 3.必须为三维单元 4.焊缝处单元可以进行规则划分。根据以上原则，选用ANSYS 单元库中的热分析单元，二维模型用四节点四边形单元PLANE55，三维模型用八节点六面
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基于ANSYS钢结构 焊接温度场与应力场的数值模拟
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基于ANSYS钢结构 焊接温度场与应力场的数值模拟
官方公共微信超超临界硬质密封复合阀阀体温度场和应力场模拟研究_阀体_中国百科网
超超临界硬质密封复合阀阀体温度场和应力场模拟研究
    摘 要：利用ANSYS有限元分析软件对超超临界硬质密封复合阀在不同高温高压工况下进行模拟分析。得出该复合阀阀体在不同高温高压工况下温度场，热应力场和压应力场的分布情况。结果表明该阀侧阀体与管道连接出口处所受的温度梯度，热应力梯度和压应力梯度均为最大，是整个复合阀阀体薄弱点。因此对侧阀体出口处的数据监控以保证复合阀安全的运行尤为重要。
关键字：超超临界硬质密封复合阀 热应力 压应力 温度场
在电力行业的超临界超超临界系统中，阀门常处于高温度和高流体压力下。加上阀门经常启闭，密封面间的相互摩擦、挤压、剪切以及流体的冲刷和腐蚀等作用，阀门极易受到损伤。更为恶劣的工况（如高温、高压、杂质、颗粒等综合作用），会造成系统中的超超临界阀门在短时间内或在极少操作次数下出现内漏。一直以来，火电系统使用的隔断阀门大都是球阀、截止阀或闸阀。这些阀门在恶劣的工况条件下，通常几个月内就会出现内漏。有的甚至装机不到两星期就失效了。这一难题，国内外阀门制造厂家都在不断改进和探索。
本文采用ANSYS有限元析方法对一种超超临界硬质密封复合阀在不同温度和压力工况下的温度场、热应力场、压应力进行模拟研究，得出该阀门在不同工况时的温度分布，热应力分布和压应力分布，并证实了P92号钢材用于此种硬质密封复合阀门完全能够满足超超临界运行工况。所得结论可以为该超超临界硬质密封阀门的设计和运行提供参考。
1 超超临界硬质密封复合阀门的工作原理
超超临界硬质密封复合阀门（如图1和图2）的是将截止阀功能和球阀功能有机的结合为一体，通过联动机构实现一体化控制。大大提高了阀门的使用寿命和使用安全系数。（1）复合阀开启时：逆时针旋转手轮，此时凸轮不啮合，主动齿轮带动被动齿轮向上移动，当截止阀杆上移到行程的98%时，被动凸轮和被动齿轮端面离合器啮合，继续旋转手轮使得被动凸轮旋转90°，也就是球转动90°，球密封处于开启位置。阀门处于全开状态。（2）关闭时：顺时针旋转手轮，两凸轮处于啮合位置。当被动凸轮转90°，使球密封处于密封位置，此时凸轮不啮合。继续旋转手轮截止阀向下移动，主动齿轮带动被动齿轮也向下移动。当截止阀杆不能再往下移动，说明截止密封关死，阀门处于全关状态。
图1 超超临界硬质密封复合阀剖面图
1-主阀体 2，3-填料垫 4-截止阀 5-截止阀杆
6-阀杆套 20-球阀阀杆套 21-球阀阀杆 22-球阀 23-侧阀体
图2 超超临界硬质密封复合阀门三维图
2 计算模型
2.1 温度场计算模型
对于超超临界硬质密封复合阀（由于在整个的热量传递过中，辐射热相对较小，故忽略不计），其温度场的计算主要包括：阀体本身的导热，阀体内壁与流体在边界上的对流换热。当然阀门完全闭合时，阀门前后的流体是不流动的，故可视为温度恒定的稳态导热，只考虑阀体本身的热量传递；在阀门开启时，其内部有高速流动的高温高压流体流过，此时应考虑阀体与高温高压流体在边界处的热对流。导热问题的微分方程为：
式中：ρ密度，kg/m3；λ：导热系数，w/（m.k）；c：比热容，KJ/（kg.℃）；tf，tw：流体和壁面的温度，K；h：表面换热系数，W/（m2.K）。提供的经验式为依据计算阀体内部表面换热系数，即：
式中：d-特征长度，mm；Nu-努赛尔数；λ-蒸汽导热系数，w/（m.k）；Re-雷诺数；Pr-普朗特数。计算中设定高温高压蒸汽流体的温度为300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃，压力为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。且阀体和管道外表面有较好的保温材料包裹，保温材料的导热系数很小，可视为绝热边界。在阀体的入口、出口断面上，温度沿断面的法线方向（轴向）变化不大，故可近似为绝热边界。
2.2 应力场计算模型
超超临界硬质密封复合阀阀体结构的应力场可以从两类：一是由于不均匀的温度分布所引起的热应力，且温度梯度越大，热应力就越大；第二类也是起决定作用的应力，即由于阀内流体压力作用所导致的压应力，随流体压力的增大，阀体的压应力增大，且远大于热应力。可用相对应的应力函数ψ的四阶偏导数方程来描述这类热弹性问题：
式中：E-弹性模量，Pa；β-热膨胀系数，K-1；T-温度，K
将函数Ψ沿不同方向进行两次微分，可以得到节点的应力状态的全部分量，然后利用Von Mises公式求得节点上的等效应力，即：
式中：σ-应力，Pa；r、z、θ-径向、轴向和切向。
在ANSYS中进行温度场和应力场的耦合计算，只要分别定义好边界条件，可以计算出最后的等效应力场。在约束条件设定中，阀体流道边界条件的设定是至关重要的事实上。相对于阀体所承受的温差载荷和流体内压载荷而言，由系统传递作用在阀体上的平衡力所引起的阀体结构内附加应力微不足道的，因此可以忽略不计。在计算由流体内压载荷所引起的应力时，作了如下考虑：（1）阀体内表面承受流体压力，外表面为自由表面；（2）在加载过程中使用阀体所受合力为零（阀静止）；（3）由阀体重力引起的应力与其它载荷作用引起的应力相比微不足道，故忽略不计。
3 几何模型边界条件及网格的划分
采用Solidworks软件对该超超临界硬质密封复合阀阀体进行了实体建模，并导入至ANSYS软件中进行模拟分析，考虑到几何形状和物理模型的对称性，计算中对阀体仅取半个模型进行数值模拟。同时由于物理模型的复杂性，采用自由网格的划分方式，并对结构的复杂处和重点位置进行了局部的加密如图所示。
图3 阀体几何模型及网格划分
采用单元类型为Coupled Field Scalar Tet 98，网格是智能划分的网格，尺寸分别为：阀体的精度等级为0.3，最大网格尺寸为0.005mm，网格总数为2626294个，阀体内部流道的温度分别为300℃，400℃，500℃，600℃和610，内部压力分别为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa。超超临界硬质密封复合阀门所采用材料为合金钢（P92）其相关物理参数如下表所示：
表1 P92钢材物理参数
4 模拟结果及分析
温度分别为300℃，400℃，500℃，560℃，600℃和610℃时，阀体温度分布图
图4 300℃阀体温度场分布图
图5 400℃阀体温度场分布图
图6 500℃阀体温度场分布图
图7 560℃阀体温度场分布图
图8 600℃阀体温度分布图
图9 610℃阀体温度场分布图
由温度场的分布可以看出，阀体内部的温度分布主要受固体导热的影响。管内的流体不断向流道管壁传递热量，直至达到稳定。随着流体温度不断的增加，阀体的温度沿着流道均匀增加，且不同温高难度下的分布基本一致。侧阀体与管道连接处的温度梯度分布最大，出现很大的应力集中，导致热应力作用最大，由此可以分析得出侧阀体与管道连接处是整个阀体最薄弱的部分。
温度分别为300℃，400℃，500℃，560℃和600℃时，阀体的热应力分布图
图10 300阀体热应力场分布图
图11 400℃阀体热应力场分布图
图12 500℃阀体热应力场分布图
图13 560℃阀体热应力场分布图
图14 600℃阀体热应力场分布图
图15 不同温度下阀体最大热应力曲线图
由热应力分布可以看出，沿着流道方向，随着温度的增加，阀体流道的热应力也随之而增大，在侧阀体与管道的接口处热应力的梯度最大，在流道入口的截止阀处弯脚处有较大的热应力负荷，共计两处受到热应力较大。当温度大于500℃时，由最大热应力分布曲线图可以看出，阀体所受到的最大热应力增大趋于平缓。
压力分别为18MPa，25MPa，32MPa和48MPa时阀体的压应力分布图
图16 18MPa阀体压应力分布图
图17 25MPa阀体压应力分布图
图18 32MPa阀体压应力分布图
图19 48MPa阀体压应力分布图
图20 不同压力下最大压应力曲线图
此时高压的流体将对阀体进行瞬态的高压热冲击。该高温高压阀门长期的在这种环境下运行，阀体的流道压力增大时，整个阀体的压应力增大较为明显。在出口段侧阀体所受到的压应力梯度最大，此处的压应力值最大。随着压力的不断增大，必然给阀体的整个运行带来一定的安全隐患。相比热应力，压应力的值远大于热应力影响。即阀体的耦合应力分布以压应力分布为主，因此对侧阀体出口处的温度和压力分布进行监控，可以为复合阀门的安全运行提供保障。
5 阀体材料安全性能评估
超超临界硬质密封复合阀长期工作在高温高压环境中，其运行受到强烈的热冲击，其安全性能必须进行评估。参考阀体材料P92号钢材压力许用值，得出如下图：
图21 不同工况下实际应力和许用应力对比图
由图7可以看出在设定的不同工况温度下，阀体的应力值均在许用应力值范围内。当温度和压力达到超超临界，阀体最大实际应力值不到20MPa，远小于P92钢材所对应的许用应力值99.2MPa实际应力值都远小于P92的基本许用应力值的3倍，因此该阀体选材的安全性能较高，符合超超临界状态的电厂阀门选材使用要求。
（1）本文建立了超超临界硬质密封复合阀的三维模型，并对阀体的进行了热应力耦合计算，较好的模拟了阀体的在高温高压工况下的温度场，热应力场和压力场的分布情况，计算结果与实际情况较为吻合。
（2）在高温高压的双重作用下，侧阀体与管道连接出口处的温度分布梯度，热应力分布和压应力分布均为最大，应力集中大，此处为阀体能否安全有效运行的可靠保证。复合阀受到的热应力相对压应力来说，基本可以忽略，可以推断出高压力是对复合阀能否安全运行的重要依据。
（3）由P92号钢材生产的这种特殊高温高压复合阀能够满足超超临界电厂阀门的使用需求，该种超超临界硬质密封复合阀特有功能能给电厂的安全运行提供双重保障。
收录时间:日 22:38:34 来源:调节阀信息网 作者:匿名
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