承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析(5)

承压容器焊接接头残余应力测试及有限元分析

过对该软件的工作原理、工作流程和系统组成等方面进行全面分析，研究了有限元方法FEM焊接热效应领域的应用。ANSYS能与其他CAD软件双向互相传递数据，具有便捷的前后数据处理能力和多物理场分析能力，通过基于ANSYS虚拟试验的平台，能够用低成本、高效率的优化与焊接热效应相关产品的设计方案，因而在生产方面和焊接研究领域有着广阔的应用前景。

焊接是涉及许多学科的复杂物理-化学过程。焊接过程中由于涉及的变量数目繁多，想深入了解和控制焊接过程单凭积累工艺试验数据，不但不切实际而且成本昂贵以及费时费力。随着计算机的发展，通过数学方程描述焊接基本物理过程的来模拟焊接过程，采用数值分析求解以获知焊接过程中的定量认识，即计算机模拟焊接过程，成为一种有力的手段。计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了强有力的条件。

在ANSYS的程序中，PLANE182 (结构单元)和单元类型PLANE55 (热单元)都分别支持单元生死功能，将分别应用于应力计算和温度场计算分析中。单元生死分别用EKILL和EALIVE 命令执行，并打开分析选项中完全牛顿`拉佛森(full Newton-Raphson )方法，将得到非常好的非线性计算收敛结果。

为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有两种方式考虑力学分析与热分析之间的耦合，即间接耦合和直接耦合。 间接耦合法为先进行温度场的模拟分析，然后将求得的结点温度作为体载荷施加在结构当中，计算焊接的残余应力与变形。即：(1热分析)使用热分析的手段，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。 (2)重进入前处理，将热分析单元转变为相应的结构分析单元，设置结构材料属性，如热膨胀系数、泊松比、弹性模量等。 (3) 结构分析的荷载是读入热分析的结点温度，设置好参考温度，结构分析求解残余应力。

而直接耦合法为采用Ansys提供的能够进行复合域（热-力学分析）分析的单元类型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形与残余应力。以下

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分析过程分为厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点的焊接变形与残余应力分析四个部。 其中第一、二、三部分采用Ansys中的实体单元，以直接耦合法对焊接过程进行模拟，并分析了焊接后的变形与残余应力，第四部分则采用壳单元以间接耦合法对焊接变形与残余应力分析。 采用的计算参数说明如下。

钢的应力 - 应变关系双线性运动学硬化非线性关系，如图在不同温度下，其中，1）顶点位置作为屈服应力在室温下被取为345* E6 N / M 2的应力 - 应变曲线； 2）在曲线的斜率是弹性模量E，取为在室温下0.06* E11 N / M 2； 3）实现屈服点后的弹性模量更小的值，以塑性地产生模拟钢。使用具有温度变化，如图非线性关系钢的弹性模量。不考虑以下参数随温度而变化，但它被取为常数：热膨胀系数取为1.4* 10 -5 M / M* K的热容量取为520焦耳/（KG·K））的热电导率取为49.8 W /（M·K））的0.3密度7850N/ M3为您提供方便泊松比，药物性能和焊接钢管的热力学采取相同的机械性能。

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3承压板材焊接热处理试验分析

3.1焊接接头试验样本制作

取两块Q345R板材，厚度10mm，对称焊接。焊接电流在160—180A。焊层大约几层。模型为对称模型，左右、前后焊缝在焊接工艺下完成。焊接的电弧与水平面平行，由于自身重力的作用，电弧过渡中的熔滴会下落，熔池中的液态金属也会向焊道后方流动，与焊件分开，焊瘤缺陷也容易生成。但另一方面低熔点的熔渣流动性强，并且因为、焊接位置可以更容易地分离金属和熔池，焊接产生的炉渣的缺陷可能是非常的小。通过精确测量焊接焊缝宽度20mm左右。

图3-1 焊接样本制作实体

3.2样本的热处理试验 3.2.1试验目的

本次试验的目的是想通过对10mm厚的板材进行焊后热处理，获得加热区宽度、绝热区宽度与焊缝宽度的关系，从基于热处理消除残余应力的角度得到超厚板对接接头PWHT的实践经验。

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3.2.2试验设备

热处理设各型号ZWK-120KW，便携式热电偶焊接机型号3.2.2试验设备的热处理：XWDH热电偶型号：WRN（镍铬镍硅一个直径O 4MM，1 0MM棉保温材料：硅酸铝棉厚度30MMX2层绝缘值保护的条件下，电击和热处理试验测量前的其他措施。

3. 2.3热处理方案

给出的热处理温度，升温速率在热处理过程中，冷却速度和冷却热处理工艺是基于“程压力设备焊缝温带宽度热处理程序“的规定，SB =焊缝宽度MIN（壁厚，10），根据带宽景区的经验集7加热木珠宽度。热加热参数表前后测量点结构，由于规格试验片的限制，测试做两次，其中之一将降低的焊接点温度稍低侧，将上侧测温点略多，另一次将板材的上下反置，下侧的测温点略多但上侧的测温点略少，第二次试验将板材的上下反置。分析试验所得数据，主要根据绝热区出口温度、均温区内温度、升温速率等工艺参数判定。从加热带所测的温度分布能够看出，加热带的温度平稳，并没有大的有害的温度梯度的产生。

3.3样本接头残余应力测量 3.3.1盲孔法测残余应力

在前文已经介绍测量系统盲孔法测量残余应力的原理．即构件表面的小盲孔能够损坏盲孔点原有的残余应力场和弹性应变场。小孔的周围将产生一定量的释放应变。其值的大小与释放的应力是相互对应的，其释放应变的多少与结构本身刚度约束，构件自身的弹性模量有关，如果残余应力大，那么小孔释放的应变就越多，材料自身的弹性模量越大，那么让材料发生变形的应力也就越大，相应释放的应变也就越小。利用0。、45。、90。三向的应变片测量出盲孔的三个方向释放应变，就能够利用相应计算公式得出初始测试点的残余应力。在通孔法的推算应力的基础上推导的盲孔法测量残余应力的计算公式。对于三轴应变片．其应力的计算公式为：

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图3-2 应变片计算公式

释放系数就是一个有多重影响原因的系数，与盲孔的深度、直径、应变片的几何尺寸。其中主要是被测材料杨氏模量以及应变栅极的感知半径，泊松比等众多原因有关，确定的释放系数能够在拉伸机上通过拉伸试验进行标定，目前也用有限元计算的方法来进行推断，不但节省了试验时间和成本，而且准确性也很高，还能够通过理论的计算公式给出，主要包括具有应变数据采集转化功能的多通道应变仪、感知材料释放应变的电阻应变片、专用盲孔法测应力钻孔工具、数据显示记录的PC终端组成。

3.3.2试验条件

应变仪选用济南西格玛科技有限公司生产的ASMB2D—32型静态应变采集箱。仪器的规格，如表3-1所示：

表3-1：ASMB2D—32仪器规格

ASMB2D-32型 应力应变仪性能参数 特点 静态、高精度、便携、自带触摸屏和打印机，可选配锂电、接桥简单； 适合野外应力精密测试 测试内容 接传感器类型 测试信号 测试范围/με ADC 应变、应力 应变片 应变 -60000～+60000 24位，∑-Δ 21

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