CN109766663A - 一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，该方法大致包括如下步骤：将所建三维实体模型文件导入到ABAQUS有限元软件，对整个模型进行分区，切出重点研究的区域，选择合适的位置切块，对焊缝截面进行草图绘制，并完成整个模型网格的划分，然后进行集合选择，再进行温度场计算所需材料属性的设置，建立分析步，设置温度场的边界条件，定义焊接体热流载荷，定义预定义场，提交温度场计算模型，得到温度场后进行应力场的计算。本发明能很容易的实现多层多道焊的模拟，能够提高计算速度及计算收敛性的同时确保计算精度，尤其对于具有大尺度焊接接头的压力容器，从而增加了焊接模拟的应用范围。

Description

一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算 处理方法

技术领域

本发明提供了一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，属于焊接数值模拟技术领域。

背景技术

随着科学技术的快速发展，超大型的压力容器广泛应用于核电、石油化工等领域，残余应力调控是超大型的压力容器制造的关键技术。对于超大的、大壁厚压力容器，具有大尺度的焊接接头。焊接数值模拟是研究此类接头的重要手段。然而，此类焊接接头具有焊道多，焊缝长，按照传统的移动高斯热源具有超量的计算，导致数值模拟无法进行。焊接数值模拟方法对于优化大尺度焊接接头的制造工艺及调控焊接残余应力具有重要的意义。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，包括以下步骤：

步骤1：对模拟对象进行分析，利用三维造型软件建立三维实体模型，将三维实体模型以.x_t文件格式导出，并将此文件导入到ABAQUS有限元软件；

步骤2：对整个模型进行分区，切出重点研究的区域；

步骤3：对重点研究的区域选择合适的位置切块，切块所要达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面，且对后续画网格不会产生不利影响；

步骤4：只显示步骤3中的其中一个实体，对焊缝截面进行草图绘制，选择拆分面：使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线，选择拆分几何元素：使用N边分片将焊缝(包括部分母材)和母材分开，此时焊缝至少分为两段；

步骤5：选择合适位置焊缝其中一段，选择拆分面：草图对焊缝截面进行草图绘制，焊道形貌进行如下简化：对于表面深度20％的区域逐道模拟；剩余多层，每层多道简化为一道；

步骤6：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，只显示步骤5进行草图绘制的焊缝，进行局部网格种子布置；

步骤7：将焊缝及邻近焊缝的实体设置为扫掠网格，从设置局部网格种子的焊缝的实体开始，按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分；

步骤8：按照上述原则及方法，完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查，网格质量不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格；

步骤9：利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合，创建每道焊缝单元的集合，配合使用隐藏与显示功能；首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名，Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合；定义焊接及热处理工艺幅值曲线；

步骤10：完成上述网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算；定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量；

步骤11：建立分析步，以焊缝分为多段为例：第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0；第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1；第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟；如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m，N为焊道数，m为每条焊道的段数；

步骤12：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场；

步骤13：进行热源的选择；

步骤14：定义预定义场，具体为所模拟的初始的温度；

步骤15：检查上述步骤，提交计算模型进行计算，得到温度场后进行应力场的计算。

优选的，步骤1中，所述三维造型软件包括Solidworks、Pro/E、3DS Max、CATIA和UG。

优选的，步骤2中还包括以下过程：建立一个拉伸壳单元，该拉伸壳单元的截面形状和加热带的形状一致，在装配模块进行布尔运算，切出加热带区域。

优选的，步骤4中，将焊缝两侧的焊趾分别连线，选择拆分几何元素：使用N边分片命令将焊缝(包括部分母材，之后的描述采用Weld)和母材分开。

优选的，步骤5中还包括以下过程：焊道截面进行如下简化：对于表面深度20％的区域逐道模拟；剩余多层，每层多道简化为一道。

优选的，步骤6中：整体种子确定原则上尽量小，从而保证重点研究的部位网格较密；除重点研究区域之外的区域也设置局部网格种子。

优选的，步骤7中：网格为六面体网格；网格划分失败可以检查扫掠方向是否正确，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，画焊缝的原则也遵循。

优选的，步骤8中：网格质量警告值小于10％。

优选的，步骤9中：采用以拓扑为单元选择集合创建每道焊缝单元的集合，配合使用隐藏与显示功能。

优选的，步骤10中：采用新型焊缝材料模型，是来描述焊缝金属从焊条转移到熔池的无刚度和无强度特性，实现焊接过程中不限制母材和热影响区的变形。采用此材料模型，能确保计算精度的同时提高计算的收敛性。

优选的，步骤12中：如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1，N为焊道数，之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束。

优选的，步骤13中：沿焊接的长度方向，始端和末端20％采用移动的高斯热源；中间采用瞬态热源。始端和末端的焊接热源通过子程序实现，中间的焊接热源通过定义焊接体热流载荷实现。

本发明的有益技术效果是：

本发明所采用新型焊缝材料模型，是来描述焊缝金属从焊条转移到熔池的无刚度和无强度特性，实现焊接过程中母材和热影响区的变形不受约束。采用此材料模型，能确保计算精度的同时提高计算的收敛性。

本发明所采用焊道截面简化方法，即对于表面深度20％的区域逐道模拟，剩余多层每层多道简化为一道，通过中子衍射实验进行了验证，具有一定的精确性。

本发明所采用热源的选择(步骤13)能够保证计算精度的同时提高计算速度。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中的模型切块图；

图2为本发明实施例中的具体网格图；

图3为本发明实施例中的焊缝简化方案的网格比较图；

图4为本发明实施例中的不同焊缝简化与中子衍射测试结果比较图。

具体实施方式

结合附图，本发明提供的超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，包括如下具体实施步骤：

步骤1：对模拟对象进行分析，利用三维造型软件Solidworks、Pro/E、3DS Max、CATIA、UG等建立三维实体模型，将模型以.x_t文件格式导出，并将此文件导入到ABAQUS有限元软件。

步骤2：对整个模型进行分区，切出重点研究的区域。目的是在对重点研究区域进行切块时不会对周围部分“切伤”，能够画出较高质量的网格。建立一个拉伸壳单元Part，该壳单元的截面形状和加热带的形状一致，在装配模块进行布尔运算，切出加热带区域。

步骤3：对重点研究区域选择合适的位置“切一刀”，即分割，能够达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面，且对后续画网格不会产生不利影响。

步骤4：只显示步骤3中的其中一个实体，对Weld截面进行草图绘制，选择拆分面：使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线，选择拆分几何元素：使用N边分片将焊缝(包括部分母材，之后的描述采用Weld)和母材分开，此时Weld至少分为两段，在没有其他要求或特殊情况下，建议Weld不要切太多段，原则上越少越好。

步骤5：选择合适位置焊缝其中一段，选择拆分面：草图对焊缝截面进行草图绘制，焊道截面进行如下简化：对于表面深度20％的区域逐道模拟；剩余多层，每层多道简化为一道。

步骤6：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，原则上尽量小，从而保证重点研究的部位网格较密，提高计算精度。只显示步骤5进行草图绘制的Weld，进行局部网格种子布置。除重点研究区域之外的区域也设置局部网格种子，目的是尽量网格稀疏且网格规则，能够满足计算精度即可。

步骤7：网格为六面体网格。将焊缝及邻近焊缝的实体(尤其是有过渡段的实体)设置为扫掠网格，从设置局部种子的Weld的实体开始，按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分。网格划分失败可以检查扫掠方向是否正确，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，画焊缝的原则也遵循。重点研究区域由于整体种子较小，网格较密，而周围由于设置局部种子网格较稀疏，采用局部扫掠的方法实现自然过渡，既能保证计算的精度，又能急剧降低网格数，提高计算速度。

步骤8：按照上述原则及方法，完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查，网格质量不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格。

步骤9：利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合，创建每道焊缝单元的集合，配合使用隐藏与显示功能；首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名，Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合；定义焊接及热处理工艺幅值曲线。

步骤10：完成上述非常关键的网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算。定义材料的材料属性(密度、热膨胀系数、比热容、潜热、弹性、塑性、热膨胀系数等)以及计算温度场所需要的常量(玻尔兹曼常数、绝对零度)。值得注意的是，计算应力场时，在热弹塑性有限元的基础上引入了新的焊缝材料模型。新型焊缝材料模型的力学性能，以室温基准温度设置热物性性能，来描述焊缝金属从焊条转移到熔池的无刚度和无强度，实现焊接过程中母材和热影响区的变形不受约束。新型焊缝材料模型在不影响焊接应力模拟的前提下，调整焊缝金属在球状转移过程中的热膨胀行为，以减小或消除模拟每个焊缝的残余变形。具体为将球状转移过程中的屈服强度和弹性模量设为0.01MPa，焊道超过截止温度的热膨胀系数设为很小的负值来减小每道焊的变形，进而在确保计算精度的同时提高收敛性。通过子程序引入新的焊缝材料模型，实现焊缝金属材料性能在不同阶段的赋予。

步骤11：建立分析步，以焊缝分为多段为例。第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0。第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1。第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟。如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m(m为每条焊道的段数)。特例，如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1(N为焊道数)。之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束。

步骤12：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场。

步骤13：热源的选择：沿焊接的长度方向，始端和末端20％采用移动的高斯热源；中间采用瞬态热源。始端和末端的焊接热源通过子程序实现，中间的焊接热源通过定义焊接体热流载荷实现。需要说明的是，步骤10-步骤13不分先后顺序。

步骤14：定义预定义场，具体为所模拟的初始的温度。

步骤15：检查上述步骤，提交计算模型进行计算。得到温度场后进行应力场的计算。

下面通过附图进行补充说明：

图1为本发明实施例中的模型切块图。图1中：1-过渡区(两个圈中间的)；2-重点研究的区域(大圈)。

图2为本发明实施例中的具体网格图。图2中：(a)表示整体网格图；(b)表示重点研究的区域；(c)表示局部焊缝网格。

图3为本发明实施例中的焊缝简化方案的网格比较图。主要分为两种方法：逐步焊接沉积法，Gradual deposition weld表示焊道是根据实际焊道的数量和顺序逐道焊接。此方法非常精准，但是时间成本高；集成简化算法，假设多个焊道为一个块状焊道。其中Lumpmodel 1表示距离表面深度50％的区域每层两道合为一道，其他每层一道；Lump model 2表示每层即为一道；Lump model 3表示每2层即为一道；Lump model 4表示每3层即为一道；Lump model 5表示表面深度20％的区域逐道模拟，剩余多层每层多道简化为一道。

图4为本发明实施例中的不同焊缝简化与中子衍射测试结果比较图。图4中a为沿着焊缝表面的纵向应力与中子衍射结果的对比；图4中b为沿着焊缝表面的横向应力与中子衍射结果的对比。通过对比发现，焊道简化Lump model 5的模拟结果和实验结果吻合较好，说明采用此种焊缝截面简化能够保证计算精度。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：对模拟对象进行分析，利用三维造型软件建立三维实体模型，将三维实体模型以.x_t文件格式导出，并将此文件导入到ABAQUS有限元软件；

步骤2：对整个模型进行分区，切出重点研究的区域；

步骤3：对重点研究的区域选择合适的位置切块，切块所要达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面，且对后续画网格不会产生不利影响；

步骤4：只显示步骤3中的其中一个实体，对焊缝截面进行草图绘制，选择拆分面：使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线，选择拆分几何元素：使用N边分片将焊缝(包括部分母材)和母材分开，此时焊缝至少分为两段；

步骤5：选择合适位置焊缝其中一段，选择拆分面：草图对焊缝截面进行草图绘制，焊道截面进行如下简化：对于表面深度20％的区域逐道模拟；剩余多层，每层多道简化为一道；

步骤6：按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子，只显示步骤5进行草图绘制的焊缝，进行局部网格种子布置；

步骤7：将焊缝及邻近焊缝的实体设置为扫掠网格，从设置局部网格种子的焊缝的实体开始，按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分；

步骤8：按照上述原则及方法，完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查，网格质量不存在错误且警告值小于10％时所画网格合格；

步骤9：利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合，创建每道焊缝单元的集合，配合使用隐藏与显示功能；首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0，接着对每道焊缝进行命名，Weld-1表示第一道焊缝，Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段，以此类推，Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合；定义焊接及热处理工艺幅值曲线；

步骤10：完成上述网格划分和集合选择之后，进行温度场的计算；定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量；

步骤11：建立分析步，以焊缝分为多段为例：第1个分析步为step-1，分析时间为1*10-4秒，移除weld-0；第2个分析步为step-2，分析时间为1*10-4秒，添加激活weld-1-1；第3个分析步为step-3，分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数，进行weld-1-1的焊接模拟；如果一道焊缝有m段，则总的分析步为2N+1+m，N为焊道数，m为每条焊道的段数；

步骤12：设置温度场的边界条件，主要包括热对流和热辐射，以得到比较精确的温度场；

步骤13：进行热源的选择；

步骤14：定义预定义场，具体为所模拟的初始的温度；

步骤15：检查上述步骤，提交计算模型进行计算，得到温度场后进行应力场的计算。

2.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于：步骤1中，所述三维造型软件包括Solidworks、Pro/E、3DS Max、CATIA和UG。

3.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤2中还包括以下过程：建立一个拉伸壳单元，该拉伸壳单元的截面形状和加热带的形状一致，在装配模块进行布尔运算，切出加热带区域。

4.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤4中还包括以下过程：将焊缝两侧的焊趾分别连线，选择拆分几何元素：使用N边分片命令将焊缝和母材分开。

5.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤5中还包括以下过程：焊道截面进行如下简化：对于表面深度20％的区域逐道模拟；剩余多层，每层多道简化为一道。

6.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤6中：整体种子确定原则上尽量小，从而保证重点研究的部位网格较密；除重点研究区域之外的区域也设置局部网格种子。

7.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤7中：网格为六面体网格；网格划分失败可以检查扫掠方向是否正确，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，画焊缝的原则也遵循。

8.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤9中：采用以拓扑为单元选择集合创建每道焊缝单元的集合，配合使用隐藏与显示功能。

9.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤12中：如果一道焊缝只有一段，则总的分析步为2N+1，N为焊道数，之后分析步的设置参照step-2和step-3，直至焊接模拟结束。

10.根据权利要求1所述的一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法，其特征在于，步骤13中：沿焊接的长度方向，始端和末端20％采用移动的高斯热源；中间采用瞬态热源；始端和末端的焊接热源通过子程序实现，中间的焊接热源通过定义焊接体热流载荷实现。