管道环形焊缝残余应力数值模拟分析及焊接工艺优化

• 作 者: 陈玉玲
• 出 处: 中南林业科技大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 管道环形焊缝 有限元分析 残余应力 正交试验设计 工艺参数优化

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。