CN109543328B - 一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接变形模拟技术领域。为了控制焊接工艺参数与焊接件之间的变形关系，保证钢板混凝土(SC)结构的施工质量，本发明公开了一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法，用于对SC结构单元中大型双层柔性钢面板的焊接操作进行模拟分析。该模拟方法包括：步骤S1，建立小板焊接试件；步骤S2，建立焊接接头模型；步骤S3，进行小板焊接试件的焊接操作；步骤S4，进行焊接接头模型的模拟焊接；步骤S5，进行焊件模型的建立和模拟。采用本发明的方法进行焊接操作前的模拟计算，可以预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，从而及时对焊接工艺进行优化调整，保证最终的焊接质量。

Description

一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法

技术领域

本发明属于焊接变形模拟技术领域，具体涉及一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法。

背景技术

CAP1400核电站是全球首个中国自主研发的核反应堆，屏蔽厂房作为核岛安全壳外部主要的保护部分，是核电站抵抗内外部事故最重要的构筑物之一。目前，CAP1400屏蔽厂首次采用的钢板混凝土(SC)结构，由大直径环形双层柔性整圈模块依次构成，其中每圈模块又有多个独立模块依次拼装焊接而成，而独立模块则由内层钢板、外层钢板以及位于两者之间的对穿钢筋连接固定组成。由于模块拼装精度高，变形控制必须在极小的范围内，施焊后还需保证自身的强度、刚度以及稳定性，这对焊接施工提出了很高的要求。

由于SC结构单元是大型双层柔性钢面板结构，重量重、体积大、整体刚度小、局部刚度大，因此在拼装和焊接过程中不可避免的会出现结构变形并且变形后矫正困难，进而影响其后续的承载力。同时，针对CAP1400项目中SC结构钢板采用Q345B钢材，现场拼装时钢板长度为12000mm，但厚度仅为20mm-25mm，结构复杂、焊接量大、焊接线程长，对焊缝质量要求高，且必须两面同时对称施焊，且完成组装焊接要后满足半径偏差±6mm之内的设计要求。因此，如果直接对大型双层柔性钢面板进行焊接操作，则极易出现由于焊接工艺参数不合适而引起的不可逆转结构变形，从而影响钢板混凝土(SC)结构的施工质量。

发明内容

为了控制焊接工艺参数与焊接件之间的变形关系，保证钢板混凝土(SC)结构的施工质量，本发明提出了一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法，用于对SC结构单元中大型双层柔性钢面板的焊接操作进行模拟分析。该模拟方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立小板焊接试件；根据待模拟焊件中焊缝的类型，选用与待模拟焊件相同材质的焊件进行小板焊接试件的组建；

步骤S2，建立焊接接头模型；根据小板焊接试件的设置，进行焊接接头模型的建立，使焊接接头模型中的焊缝位置、类型和尺寸与小板焊接试件中的焊缝位置、类型和尺寸保持相同；

步骤S3，进行小板焊接试件的焊接操作；根据设计要求进行小板焊接试件的焊接操作，并且采集焊接温度热循环曲线以及小板焊接试件的焊接应力变化数据和变形量数据；

步骤S4，进行焊接接头模型的模拟焊接；将步骤S3中获得焊接温度热循环曲线加载至焊接接头模型中的对应焊缝位置处，并且以步骤S3中小板焊接时产生的应力变化和变形量作为标准，根据模拟焊接产生的应力变化和变形量对模拟加载的焊接温度热循环曲线进行反复调整校核，直至模拟焊接产生的应力变化和变形量与小板焊接时产生的应力变化和变形量一致，记录保存对应焊接接头的最终焊接温度热循环曲线；

步骤S5，进行焊件模型的建立和模拟；根据焊件的实际尺寸参数、材质种类和焊缝类型，进行焊件模型的建立，并将步骤S4中获得的对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处，从而完成对焊件模型的模拟操作。

优选的，在所述步骤S5中，进行双层柔性焊件模型的建立时，在保持对穿钢筋的分布密度和长度尺寸不变的情况下，将对穿钢筋的截面由圆形改为方形。

优选的，在所述步骤S2和所述步骤S5中，进行焊接接头模型和焊件模型的建立时，选用单层的三角形单元对焊缝附近过渡区域的网格进行划分和连接。

进一步优选的，在所述步骤S2和所述步骤S5中，进行焊接接头模型和焊件模型的建立时，在焊缝和热影响区之间的过渡区采用边长相同的三角单元完成平行过渡，在热影响区和母材之间的过渡区采用比例为1：2的单层三角形网格完成过渡，在进一步远离焊缝的母材区采用两至三层边长更大的三角形完成过渡区网格的划分。

优选的，针对多层多道的焊缝焊接时，在所述步骤S3中进行逐层逐道的焊接温度热循环曲线记录，并且在所述步骤S4中进行逐层逐道的焊接温度热循环曲线加载以及应力变化记录和变形量记录。

优选的，在所述步骤S5中，将对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处时，可以对不同焊接接头之间的加载顺序进行调整，从而改变由此对焊件模型产生的形变。

优选的，在所述步骤S5中，将对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处时，可以对同一焊接接头进行分段加载并且调整加载的起始位置、单次加载长度以及相邻加载间的搭接尺寸，从而改变由此对焊件模型产生的形变。

优选的，在所述步骤S5中，对焊件模型进行单元划分，使其由多个相同的单元模型依次拼装组成；首先，将焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至单元模型中的对应焊接接头位置处，然后，再由多个单元模型依次拼装组成焊件模型，并且在相邻单元模型的对接接头位置加载相应的焊接温度热循环曲线。

优选的，在所述步骤S4中，将焊接接头周围的热影响区域作为局部塑形应变单元进行保存记录；在所述步骤S5中，将对应焊接接头的局部塑形应变单元直接加载至焊件模型中的对应焊接接头位置，完成对焊件模型的应变模拟。

采用本发明的模拟方法辅助进行大直径双层柔性焊件的焊接操作时，具有以下有益效果：

1、在本发明中，首先借助小板焊接试件和焊接接头模型之间的反复热源校核，将实际焊接工艺准确转换为模拟计算中的焊接温度热循环曲线，然后再将该焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中对焊件模型进行形变模拟计算。这样，不仅可以明确焊接工艺参数和流程与焊件形变之间的对应关系，从而可以预先制定防变形措施，控制实际焊接操作过程中产生的焊接变形量，而且还可以在模拟操作过程中对焊接工艺参数和流程进行优化调整，进一步降低焊接形变，优化焊接操作流程，保证最终的焊接质量。

2、在本发明的模型建立过程中，通过对大直径双层柔性焊件中对穿钢筋截面形状的优化改进，方便了模拟计算过程中对网格节点的对应和捕捉，有助于提高模拟计算收敛程度，同时通过对焊缝附近过渡区域网格的分区域优化处理，达到合理分配网格疏密程度的目的，使得在保证计算精度的前提下降低了网格计算的节点数量，进一步优化了模拟的计算效率。

附图说明

图1为本实施例大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法的流程示意图；

图2a为SC结构中双层钢板进行横焊时的坡口组对示意图；

图2b为SC结构中双层钢板进行立焊时的坡口组对示意图；

图3为SC结构中横焊对接接头过渡区域的局部模型图；

图4为SC结构中立焊对接接头过渡区域的局部模型图；

图5为本实施例中由三个模块组成的单元模型的结构示意图；

图6为本实施例内层钢板中内弧表面上测量点位的分布示意图；

图7为本实施例外层钢板中外弧表面上测量点位的分布示意图；

图8为采用本实施例的方法对立焊焊接接头进行模拟时的焊前与焊后板材变形错配图。

具体实施方式

下面以CAP1400核电站SC结构中双层钢板模块的焊接模拟为例，对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

结合图1所示，本实施例的大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法，包括以下步骤：

步骤S1，建立小板焊接试件。根据SC结构中双层钢板的焊缝类型，选用与双层钢板材质相同的焊件进行小板焊接试件的组建，使小板焊接试件的坡口形式和组对形式与双层钢板实际焊接时的坡口形式和组对形式保持完全相同。

其中，在CAP1400核电站SC结构中，双层钢板的基本参数为：钢板材质为Q345B，外层钢板半径为23985mm，内层钢板半径为22885mm，单张板材的板厚为20mm、长度为12599mm、宽度为3000mm，双层钢板间排布的对穿钢筋直径为φ20mm。同时，钢板的拼装工艺要求为半径方向制造公差为±3mm，组对间隙和坡口间隙尺寸如图2a和图2b所示。此时，根据CAP1400核电站SC结构中焊缝类型的不同，选择上述相应材质的钢板进行对应小板焊接试件的组建，使小板焊接试件中的焊缝与CAP1400核电站SC结构中的焊缝保持一致。其中，小板焊接试件的焊缝的长度可以根据实际焊接工艺进行调整设置，使其满足有效焊接长度即可。

步骤S2，建立焊接接头模型。根据小板焊接试件的设置，在软件中进行焊接接头模型的建立，使焊接接头模型中的焊缝位置、类型和尺寸与小板焊接试件中的焊缝位置、类型和尺寸保持相同。

其中，在CAP1400核电站SC结构的双层钢板焊接过程中，包括对2G位置的横焊操作和对3G位置的立焊操作，因此在步骤S1和步骤S2中需要分别进行对应焊接位置的小板焊接组件和焊接接头模型的建立，以满足对不同位置坡口形式的焊接模拟。

步骤S3，进行小板焊接试件的焊接操作。根据设计要求进行小板焊接试件的焊接操作，并且采集焊接温度热循环曲线以及小板焊接试件的焊后应力变化数据和变形量数据。

其中，在CAP1400核电站SC结构的双层钢板焊接过程中，焊接工艺的设计参数如下表所示：

在焊接过程中，借助热源采集器进行焊温度接热循环的记录，其中在本实施例中借助由K型热电偶、显示仪表和记录仪表等设备组成的热源采集器进行焊接过程的焊接温度热循环曲线记录，与此同时，对钢板焊接前后的应力变化和形变量进行测量记录。

在本实施例中，采用盲孔法测应力的方式对钢板焊接前后的应力变化进行测量记录，同时借助全站仪对钢板的半径尺寸变化进行测量，借助钢卷尺对钢板的厚度、高度、弧长、弦长、对角线和垂直度进行测量，以此计算获得钢板的形变量。其中，在进行钢板的厚度、高度、弧长、弦长、对角线和垂直度测量操作前，预先对钢板表面进行测量点位的设置，例如在内层钢板的内弧表面和外层钢板的外弧表面分别沿钢板的高度进行三层测量点位的布置，并且在每一层中对应布置相等数量的测量点位，以便于利用钢卷尺对不同位置之间的测量点位进行测量，获得相应的形变数据。

步骤S4，进行焊接接头模型的模拟焊接。将步骤S3中获得焊接温度热循环曲线加载至焊接接头模型中的焊缝位置处，并且以步骤S3中小板焊接时产生的应力变化和变形量作为标准，根据模拟焊接产生的应力变化和变形量对模拟加载的焊接温度热循环曲线进行反复调整校核，使模拟焊接产生的应力变化和变形量与小板焊接时产生的应力变化和变形量相近并满足模拟设计要求，最终记录保存对应焊接接头的最终焊接温度热循环曲线，从而获得对SC结构双层钢板中不同焊接接头进行焊接操作时相对应的焊接温度热循环曲线数据。

优选的，在本实施例的SC结构双层钢板焊接操作中，由于2G位置的横焊操作采用的是多层多道焊缝、3G位置的立焊操作采用的是单道多层焊缝，因此在步骤S3中的小板焊接操作过程中，对焊接温度热循环曲线进行逐层逐道的记录获得相应的热循环曲线，并且在步骤S4中进行逐层逐道的焊接温度热循环曲线加载以及记录对应层道的应力变化和变形量。这样，不仅可以逐层逐道累计应力变化和形变量，获得最终的应力变化和形变量，而且还可以准确了解每一层和每一道焊接对该焊接接头的应力和形变产生的具体影响，以便于后续对该焊接接头中不同层的热源进行调整，实现对应力和形变的精准优化。

步骤S5，进行焊件模型的建立和模拟。根据SC结构中双层钢板的实际尺寸参数、材质种类和焊缝类型，进行1:1的焊件模型建立，并将步骤S4中获得的对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处，从而完成对焊件模型的模拟操作。

在本实施例中，借助Visuel-Mesh软件、Sysweld软件和Visuel-Viewer软件进行上述焊接接头模型和焊件模型的建立以及模拟计算，并且在焊件模型的建立过程中，根据设计要求和实际组对情况，在模拟焊件的相应位置进行组对工装设置。这样，与现场拼装结构相比，可以使焊件模型建立的真值度不小于80％，以保证真实还原焊件的拼装组对过程，保证最终的焊接模拟精度。

优选的，在本实施例中，进行双层钢板之间对穿钢筋的模型建立时，在保持对穿钢筋的分布密度和长度尺寸不变的情况下，将对穿钢筋的截面由圆形改为外切方形。这样，不仅可以通过方形替代圆形减少网格节点数目，降低模拟计算量，而且还可以更加方便的对网格节点进行对应和捕捉，有助于提高模拟计算收敛程度。同样，在其他实施例中，也可以将对穿钢筋的截面由圆形改为内接方形，以此降低模拟计算量。

结合图3和图4所示，在步骤S2中进行焊接接头模型的建立过程中以及在步骤S5中进行焊件模型的建立时，优先选用单层的三角形单元对焊缝附近过渡区域的网格进行划分和连接，以此最大限度的简化模型计算量，提高模拟计算效率。

进一步优选的，在焊缝和热影响区之间的过渡区采用边长相同的三角单元完成平行过渡，在热影响区和母材之间的过渡区采用比例为1：2的单层三角形网格完成过渡，在进一步远离焊缝的母材区采用两至三层边长更大的三角形完成过渡区网格的划分。这样，通过对焊缝附近过渡区域网格的分区域优化处理，达到合理分配网格疏密程度的目的，使得在保证计算精度的前提下降低了网格计算的节点数量，进一步优化了模拟的计算效率。

优选的，在将对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处时，根据由此对焊件模型产生的形变情况，可以对不同焊接接头之间的焊接温度热循环曲线加载顺序进行调整，从而改变焊件模型的形变情况，优化焊件模型的焊接工艺流程，进而改善实际焊接操作时的焊接工艺流程。例如，当焊件模型中存在多个立焊焊接接头和多个横焊焊接接头时，就可以在多个立焊焊接接头和多个横焊焊接接头之间进行焊接温度热循环曲线加载顺序的调整，从而改变焊件模型的形变。

进一步优选的，在针对长尺寸的焊接接头进行焊接温度热循环曲线加载时，可以对该焊接接头进行分段加载，并且通过调整加载的起始位置、单次加载长度以及相邻加载段之间的搭接尺寸，以此改变焊接温度热循环曲线的加载工艺对焊件模型产生的形变，获得最佳的焊接温度热循环曲线的加载工艺，即获得实际焊接操作时的最佳分段焊接工艺。

另外，在对SC结构进行整体建模前还可以，首先对SC结构进行单元划分，使其可以由多个相同的单元模型依次拼装组成，然后将焊接接头的焊接温度热循环曲线加载到单元模型中进行应力和应变的模拟计算，最后再将单元模型的结果作为加载数据加载到SC结构的整体模型中，对整体模型的应力和应变进行模拟。这样，可以将对整体模型的模拟计算分解为对多个相同单元模型的叠加模拟计算，而该单元模拟的计算量以及叠加单元模拟的计算量是远远小于将焊接温度热循环曲线直接加载到整体模型中进行的模拟计算量，从而优化对SC结构的模拟计算效率。

进一步还可以将步骤S4中获得的焊接接头周围的热影响区域作为局部塑形应变单元进行保存记录，然后在步骤S5中，将对应焊接接头的局部塑形应变单元直接加载至焊件模型中的对应焊接接头位置，完成对焊件模型的应变模拟。这样将局部模型的形变映射至焊件模型中，可以进一步减少直接将焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的多个焊接接头位置进行模拟计算时的计算量，提高模拟计算效率。同理，也可以将焊接温度热循环曲线加载至单元模型后，将单元模型产生的塑形应变进行整体保存，并且将单元模型的塑形应变作为加载项直接加载到整体模型中进行整体模型的形变模拟计算。

结合图5所示，在本实施例中针对SC结构进行单元划分时，划分的单元模型由三个模块构成，包括第一模块1、第二模块2和第三模块3。其中，第一模块1和第二模块2为位于同一层的相邻两个模块，第三模块3为第一模块1和第二模块2的相邻层中同时与第一模块1和第二模块2焊接连接的模块。此时，首先，将焊接接头的焊接温度热循环曲线先加载至单元模型的对应焊接接头位置处，模拟计算获得单元模型的应力和应变；然后，将单元模型的应力和应变作为整体模型的加载项加载输入至整体模型中，并且将焊接接头的焊接温度热循环曲线或者是焊接接头周围的局部塑形应变单元记载至相邻单元模型之间的焊接接头位置，从而完成对整体模型的模拟计算。

接下来，以图5中第一模块1和第二模块2组成的立焊焊接接头为例，对由第一模块1和第二模块2之间组成的立焊焊接接头进行模拟计算获得变形量与对该两个模块进行实际焊接产生的变形量进行比对。

首先，对第一模块1和第二模块2中的内层钢板的内弧表面和外层钢板的外弧表面进行测量点位的设置。结合图6和图7所示，根据钢板的尺寸，在内层钢板和外层钢板上分别设置48个测量点位，并且沿钢板高度分为三排，每排均布16个测量点位。

接着，将上述步骤S4中最终获得立焊焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至第一模块1和第二模块2之间的焊接接头位置，获得如图8所示的焊接前后钢板的变形错配图，并且选取变形量较大区域的测量点位进行变形量的计算和记录。

然后，采用与上述焊接温度热循环曲线相对应的焊接工艺参数对第一模块1和第二模块2进行实际焊接操作，并且对相应测量点位进行变形量的测量计算和记录。

对模拟计算获得变形量与实际焊接测量的变形量进行比对，如下表所示，其中，2N表示第二模块中的内层钢板，2W表示第二模块中的外层钢板，1N表示第一模块中的内层钢板，1W表示第一模块中的外层钢板。

根据上表所示可知，采用本实施例的模拟方法对第一模块和第二模块之间立焊焊接接头的模拟变形量结果与实际焊接变形结果之间的最大误差保持在15％以内而且两者之间的形变趋势保持一致，获得了较高的模拟精度。因此，通过预先对焊件进行模拟计算，就可以有效的判断实际焊接过程中可以产生的形变量，进而可以通过预先设置理想的防变形措施，减少后续的变形误差和矫正操作，这样不仅可以保证对焊件的精准焊接，满足施工技术要求，而且还可以优化焊接流程，节约人力资源和施工成本，提高施工效率。

Claims (9)

1.一种大直径双层柔性焊件应力与应变的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，建立小板焊接试件；根据待模拟焊件中焊缝的类型，选用与待模拟焊件相同材质的焊件进行小板焊接试件的组建；

步骤S2，建立焊接接头模型；根据小板焊接试件的设置，进行焊接接头模型的建立，使焊接接头模型中的焊缝位置、类型和尺寸与小板焊接试件中的焊缝位置、类型和尺寸保持相同；

步骤S3，进行小板焊接试件的焊接操作；根据设计要求进行小板焊接试件的焊接操作，并且采集焊接温度热循环曲线以及小板焊接试件的焊接应力变化数据和变形量数据；

步骤S4，进行焊接接头模型的模拟焊接；将步骤S3中获得焊接温度热循环曲线加载至焊接接头模型中的对应焊缝位置处，并且以步骤S3中小板焊接时产生的应力变化和变形量作为标准，根据模拟焊接产生的应力变化和变形量对模拟加载的焊接温度热循环曲线进行反复调整校核，直至模拟焊接产生的应力变化和变形量与小板焊接时产生的应力变化和变形量一致，记录保存对应焊接接头的最终焊接温度热循环曲线；

步骤S5，进行焊件模型的建立和模拟；根据焊件的实际尺寸参数、材质种类和焊缝类型，进行焊件模型的建立，并将步骤S4中获得的对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处，从而完成对焊件模型的模拟操作。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S5中，进行双层柔性焊件模型的建立时，在保持对穿钢筋的分布密度和长度尺寸不变的情况下，将对穿钢筋的截面由圆形改为方形。

3.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S2和所述步骤S5中，进行焊接接头模型和焊件模型的建立时，选用单层的三角形单元对焊缝附近过渡区域的网格进行划分和连接。

4.根据权利要求3所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S2和所述步骤S5中，进行焊接接头模型和焊件模型的建立时，在焊缝和热影响区之间的过渡区采用边长相同的三角单元完成平行过渡，在热影响区和母材之间的过渡区采用比例为1：2的单层三角形网格完成过渡，在进一步远离焊缝的母材区采用两至三层边长更大的三角形完成过渡区网格的划分。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟方法，其特征在于，针对多层多道的焊缝焊接时，在所述步骤S3中进行逐层逐道的焊接温度热循环曲线记录，并且在所述步骤S4中进行逐层逐道的焊接温度热循环曲线加载以及应力变化记录和变形量记录。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处时，可以对不同焊接接头之间的加载顺序进行调整，从而改变由此对焊件模型产生的形变。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S5中，将对应焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至焊件模型中的对应焊接接头位置处时，可以对同一焊接接头进行分段加载并且调整加载的起始位置、单次加载长度以及相邻加载间的搭接尺寸，从而改变由此对焊件模型产生的形变。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S5中，对焊件模型进行单元划分，使其由多个相同的单元模型依次拼装组成；首先，将焊接接头的焊接温度热循环曲线加载至单元模型中的对应焊接接头位置处，然后，再由多个单元模型依次拼装组成焊件模型，并且在相邻单元模型的对接接头位置加载相应的焊接温度热循环曲线。

9.根据权利要求1-4中任意一项所述的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S4中，将焊接接头周围的热影响区域作为局部塑形应变单元进行保存记录；在所述步骤S5中，将对应焊接接头的局部塑形应变单元直接加载至焊件模型中的对应焊接接头位置，完成对焊件模型的应变模拟。

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