低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭焊接應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律研究.pdf

1、管道結(jié)構(gòu)在化工、石油等國民經(jīng)濟的重要部門中應(yīng)用廣泛，其焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和變形會影響構(gòu)件的使用壽命。因此，開展管道環(huán)焊縫接頭焊接應(yīng)力變形規(guī)律研究，討論材料性能、預(yù)變形、預(yù)應(yīng)力、熱處理工藝等對應(yīng)力變形的影響，比較不同模型下的計算結(jié)果，為控制、調(diào)整和減少焊接殘余應(yīng)力與變形提供理論依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。
　　本文以熱—彈塑性理論為基礎(chǔ)，以ANSYS通用有限元計算軟件為平臺，建立了低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭溫度場和應(yīng)力

2、應(yīng)變場的板單元模型、殼單元模型及三維實體單元模型，討論了各參數(shù)對焊接應(yīng)力變形的影響規(guī)律。采用盲孔法實測管道環(huán)焊縫接頭的殘余應(yīng)力并與有限元計算值進行比較和驗證。本研究的主要工作和結(jié)論有以下幾個方面：
　　建立低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場二維板單元軸對稱模型并得到了焊接過程中的溫度場以及應(yīng)力應(yīng)變場分布。優(yōu)化了有限元模型中的網(wǎng)格密度、焊縫模型、熱源模型等參數(shù)，得到熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)對焊接變形的影響趨勢。

3、　　建立焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場殼單元模型，得到焊接殘余應(yīng)力與變形的分布。其中軸向應(yīng)力的分布與焊縫周圍焊接徑向收縮產(chǎn)生的“附加彎曲應(yīng)力”有關(guān)。詳細(xì)分析了焊前反變形、預(yù)應(yīng)力、焊前熱處理工藝對焊接應(yīng)力與變形的影響，驗證了上述工藝降低焊縫及近縫區(qū)焊接變形的可行性。
　　建立了管道環(huán)焊縫接頭焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場三維移動熱源有限元分析模型，通過施加生死單元實現(xiàn)了焊接過程中的“熔敷”現(xiàn)象。計算結(jié)果可以看出：在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了明顯的“內(nèi)凹

4、”徑向變形，而在接頭兩端產(chǎn)生了軸向收縮；管道內(nèi)表面周向殘余應(yīng)力較大，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且隨著遠離焊縫距離的增加過渡為壓應(yīng)力。管道內(nèi)表面焊縫及其附近區(qū)域軸向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力，而外表面則為壓應(yīng)力。
　　板單元與殼單元模型計算能對三維實體單元模型計算起到一定的借鑒作用。但是板單元無法實現(xiàn)熱源的移動，而殼單元無法實現(xiàn)多層焊各層之間的關(guān)系。因此，對于大直徑或者是管道較薄等結(jié)構(gòu)進行焊接殘余應(yīng)力分析時，為了保證計算精度，應(yīng)盡量使用三維實體