CN105205228A - 核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，提取核电站水池不锈钢衬里对焊的典型接头模型，展开焊接实验，提取典型接头试件的熔池截面轮廓；使用SYSWELD焊接有限元软件，建立尺寸相同的体单元模型；利用体单元模型，求得壳单元模型的等效收缩区域参数；利用壳单元模型的等效收缩区域参数，建立尺寸相同的壳单元模型；对比壳单元模型、体单元模型模拟变形的等高云图，提取核电站水池不锈钢衬里的中性面，建立整体模型，将典型接头模型所得的等效收缩区域参数施加到整体模型上，进行焊接变形模拟。该方法能够显著缩短核电站水池不锈钢衬里的变形模拟周期，提高核电站水池不锈钢衬里的焊接质量，提高核电站水池不锈钢衬里的安全性。

Description

核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法
技术领域
本发明涉及焊接变形模拟方法，尤其涉及核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法。
背景技术
核电站水池不锈钢衬里是核燃料及核废料的重要保护体和承载体，由大量的不锈钢板拼接而成，其对焊接变形的控制非常严格。不同的焊接顺序和焊接约束会对焊接变形产生不同的影响，因此，施工前对核电站水池不锈钢衬里焊接变形进行快速模拟预测，对核电站水池不锈钢衬里的安全施工建设具有重要意义。
对于核电站水池不锈钢衬里等大型薄壁结构的焊接，目前广泛采用的方法是基于焊接经验进行焊接施工，或者依赖国外的焊接技术指导。而第三代EPR核电站属于新一代的核电技术，不能凭借焊接经验进行详细的焊接工艺指导；第三代EPR核电站为正在建设的最先进核电站，国外同样缺乏成熟的焊接工艺。因此，亟需一种焊接模拟方法，实现对核电站水池不锈钢衬里等大型薄壁对焊结构进行快速变形模拟预测，从而便于合理的制定不锈钢衬里焊接工艺。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供了核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，能够显著缩短核电站水池不锈钢衬里的变形模拟周期，提高核电站水池不锈钢衬里的焊接质量，提高核电站水池不锈钢衬里的安全性。
本发明的技术方案：
为解决上述技术问题，本发明提供的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，包括以下步骤：
S1:提取核电站水池不锈钢衬里对焊的典型接头模型，采用施工焊接参数，展开焊接实验，提取典型接头试件的熔池截面轮廓；
S2：使用SYSWELD焊接有限元软件，建立典型接头尺寸相同的体单元模型，采用熔池轮廓匹配的原则，调节模拟热源模型参数，使体单元模型的熔池轮廓及变形与接头试件的相吻合，完成体单元模型的准确建立；
S3：利用S2的体单元模型，计算横向塑性变形区的轮廓；采用收缩力及收缩力矩相等的原则，求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距；
S4：利用S3求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距，壳单元模型的焊接约束方式与体单元、焊接实验的约束方式相同，建立与典型接头焊接实验尺寸相同的壳单元模型；
S5：对比壳单元与体单元模型模拟最大变形误差，若误差低于15%，提取核电站水池不锈钢衬里的中性面，建立整体模型，将典型接头模型所得的等效收缩区域宽度w和偏心距施加到整体模型上，进行焊接变形模拟。
进一步地，典型接头模型对应的不锈钢衬里厚度为4-8mm。
进一步地，S1中所述的焊接参数包括焊接电压、焊接电流、焊接电源形式以及焊接速度。
进一步地，S3中等效收缩区域宽度w和偏心距计算公式为：
；
；
其中，a为塑性收缩区上部宽度；b为塑性收缩区下部宽度；h为不锈钢板厚度。
进一步地，S4中所述的焊接约束方式为全约束固定。
本发明有益效果：
本发明提供的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，能够显著缩短核电站水池不锈钢衬里的变形模拟周期，提高核电站水池不锈钢衬里的焊接质量，提高核电站水池不锈钢衬里的安全性。
附图说明
图1是本发明模拟方法流程图；
图2是本发明之典型接头实验所得熔池轮廓图；
图3是本发明之体单元模型；
图4是本发明之体单元模型模拟所得熔池轮廓图；
图5是本发明之体单元模型模拟所得塑性变形区轮廓图；
图6是本发明之体单元模型收缩力及收缩力矩示意图；
图7是本发明之壳单元模型收缩力及收缩力矩示意图；
图8是本发明之壳单元接模型；
图9是本发明之体单元与壳单元变形模拟图；
图10是核电站水池不锈钢衬里焊接组装图；
图11是核电站水池不锈钢衬里垂向模拟变形图。
其中：
1.塑性变形区域上部宽度；2.塑性变形区域下部宽度；3.收缩力中心偏离中面距离；4.等效偏心距，5.等效宽度，6.施加固定约束点，7.体单元变形等高云图，8.壳单元变形等高云图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法进行详细说明：
图1所示核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法流程图，其包括以下步骤：
S1:提取核电站水池不锈钢衬里对焊的典型接头模型，采用施工焊接参数，展开焊接实验，提取典型接头试件的熔池截面轮廓；
具体地，从图10所示的核电站不锈钢衬里中提取典型接头和焊接工艺，进行焊接实验，典型接头模型对应的不锈钢衬里厚度为4-8mm。
本实施例中，采用6mm的不锈钢板进行实验，将不锈钢板一侧的两个部位点焊到试验台进行全约束固定，采用千分表进行变形采集；接头焊接完成后，提取熔池截面轮廓，图2所示为典型接头实验所得熔池轮廓图。
S2：使用SYSWELD焊接有限元软件，建立典型接头尺寸相同的体单元模型，采用熔池轮廓匹配的原则，调节模拟热源模型参数，使体单元模型的熔池轮廓及变形与接头试件的相吻合，完成体单元模型的准确建立；
图3是使用焊接有限元软件建立的体单元模型；采用熔池轮廓匹配的原则，调节模拟热源模型参数，使体单元模型的熔池轮廓及变形与接头试件的相吻合，图4是体单元模型的熔池轮廓图。
S3：利用S2的体单元模型，计算横向塑性变形区的轮廓；采用收缩力及收缩力矩相等的原则，求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距；
在此步骤中，由体单元模型可自动求得横向塑性变形区轮廓，如图5所示。图6是体单元模型收缩力及收缩力矩示意图；图7是壳单元模型收缩力及收缩力矩示意图。
采用收缩力及收缩力矩相等的原则，求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距。
；
；
其中，a为塑性收缩区上部宽度；b为塑性收缩区下部宽度；h为不锈钢板厚度。
S4：利用S3求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距，壳单元模型的焊接约束方式与体单元、焊接实验的约束方式相同，建立与典型接头焊接实验尺寸相同的壳单元模型；
具体地，按照壳单元模型的焊接约束方式与体单元、焊接实验的约束方式相同的原则建立壳单元模型，图8是建立的壳单元模型。
S5：对比壳单元模型、体单元模型模拟变形的等高云图，若等高云图吻合度不小于95%，提取核电站水池不锈钢衬里的中性面，建立整体模型，将典型接头模型所得的等效收缩区域宽度w和偏心距施加到整体模型上，进行焊接变形模拟。
图9是体单元与壳单元变形模拟图，其中7是体单元模型变形等高云图，8是壳单元模型变形等高云图。若最大变形的模拟误差低于15%，提取核电站水池不锈钢衬里的中性面，建立整体模型，将典型接头模型所得的等效收缩区域宽度w和偏心距施加到整体模型上，进行焊接变形模拟。
图11是核电站水池不锈钢衬里垂向模拟变形图。通过焊接变形模拟，可确定焊接电压、焊接电流、焊接电源形式以及焊接速度等焊接参数，从而确定焊接工艺。
本发明提供的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，能够显著缩短核电站水池不锈钢衬里的变形模拟周期，提高核电站水池不锈钢衬里的焊接质量，提高核电站水池不锈钢衬里的安全性。
本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:提取核电站水池不锈钢衬里对焊的典型接头模型，采用施工焊接参数，展开焊接实验，提取典型接头试件的熔池截面轮廓；
S2：使用SYSWELD焊接有限元软件，建立典型接头尺寸相同的体单元模型，采用熔池轮廓匹配的原则，调节模拟热源模型参数，使体单元模型的熔池轮廓及变形与接头试件的相吻合，完成体单元模型的准确建立；
S3：利用S2的体单元模型，计算横向塑性变形区的轮廓；采用收缩力及收缩力矩相等的原则，求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距；
S4：利用S3求得壳单元模型的等效收缩区域宽度w和偏心距，壳单元模型的焊接约束方式与体单元、焊接实验的约束方式相同，建立与典型接头焊接实验尺寸相同的壳单元模型；
S5：对比壳单元与体单元模型的最大模拟变形，若最大变形误差小于15%，提取核电站水池不锈钢衬里的中性面，建立整体模型，将典型接头模型所得的等效收缩区域宽度w和偏心距施加到整体模型上，进行焊接变形模拟。
2.根据权利要求1所述的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，其特征在于，典型接头模型对应的不锈钢衬里厚度为4-8mm。
3.根据权利要求1所述的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，其特征在于，S1中所述的焊接参数包括焊接电压、焊接电流、焊接电源形式以及焊接速度。
4.根据权利要求1所述的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，其特征在于，S3中等效收缩区域宽度w和偏心距计算公式为：
；
；
其中，a为塑性收缩区上部宽度；b为塑性收缩区下部宽度；h为不锈钢板厚度。
5.根据权利要求1所述的核电站水池不锈钢衬里薄壁对焊结构变形模拟方法，其特征在于，S4中所述的焊接约束方式为全约束固定。
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