CN110991117A - 钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟 - Google Patents

钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟 Download PDF

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CN110991117A
CN110991117A CN201911344158.XA CN201911344158A CN110991117A CN 110991117 A CN110991117 A CN 110991117A CN 201911344158 A CN201911344158 A CN 201911344158A CN 110991117 A CN110991117 A CN 110991117A
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finite element
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welding
steel plate
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耿进锋
姚德贵
王超
肖寒
赵理
马磊
时洪飞
潘勇
崔大田
陈伟
张武能
汪毅
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Henan Jiuyu Enpai Power Technology Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，包括瞬态温度场的控制方程和边界条件，具体如下：对流边界条件
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和输入热流边界条件
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,初始条件
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
分别为热传导系数、重力密度、比热和对流系数，本发明设计了24通道温度测量系统，制作了模拟工件，并根据补强工艺制作了相应的补强板，依照焊接工艺进行模拟补强操作，在焊接过程中采集了相应的温度场分布数据，从而对温度进行实时模拟。

Description

钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体为钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟。
背景技术
离心混凝土钢管结构是钢管与混凝土组合结构中的一个分支，自20世纪80年代以来在送变电杆塔、各种设备构架、多层工业厂房等领域得到了广泛的应用。目前正在逐步推广应用到多、高层建筑、公路拱桥、地下工程和构架与网架结构中。离心钢管混凝土杆塔已在我国二十多个省(市、区)的2000多个发电和输电线路工程和各类通信工程中得到了广泛的应用，特别是近年来发展更为迅速，钢板混凝土尤为重要。
在补强焊接过程中，混凝土和钢管将经历高温过程，一般来说，在经历高温历程后，混凝土的材料性能将产生变化，变化程度将依温度变化幅度、材料性质等因素而不同，因此，研究钢管塔的混凝土在经历补强焊接温度以后的性能变化对补强工程实施具有指导意义。首先，本课题对钢板混凝土试板进行了瞬态温度场有限元数值模拟，获得了补强焊接过程中关键部位的温度-时间理论曲线。第二，制造了平板式钢板混凝土试件，并对该试件进行了补强焊接温度场测试，获得了补强焊接过程中关键部位的温度-时间历程曲线，对温度场有限元结算结果进行了验证。第三，对薄壁混凝土钢管进行了瞬态温度场有限元数值模拟，按照钢板混凝土试件数值模拟中采用的材料物理参数、计算方案、计算方法，对钢管塔补强焊接进行了瞬态温度场有限元数值模拟，获得了钢管塔补强焊接过程中的瞬态温度场和关键部位的温度-时间曲线。最后，根据有关文献对钢管塔的混凝土在补强焊接后的强度性能进行了评价。
发明内容
本发明提供了一种钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，用以解决背景技术中提到的技术问题。
本发明的技术方案是：钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，包括瞬态温度场的控制方程和边界条件，具体如下：
Figure 917568DEST_PATH_IMAGE002
Figure 100288DEST_PATH_IMAGE004
表示的是对流边界条件
Figure 958654DEST_PATH_IMAGE006
输入热流边界条件
Figure 619442DEST_PATH_IMAGE008
初始条件
式中，
Figure 496131DEST_PATH_IMAGE010
分别为热传导系数、重力密度、比热和对流系数。
进一步的：温度场变分建立如下函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示求解域；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
表示对流边界；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
表示辐射边界；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
表示热流输入边界。
取泛函
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
的一阶变分并令其等于零，即
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
可得到与控制方程和定解条件等价的式，即
Figure 223654DEST_PATH_IMAGE024
式中，
Figure 21845DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 548642DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 233832DEST_PATH_IMAGE030
称为导热系数矩阵。
进一步的，温度场变分建立如下函数关系：
Figure 758354DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 840580DEST_PATH_IMAGE013
表示求解域；
Figure 856553DEST_PATH_IMAGE015
表示对流边界；
Figure 911097DEST_PATH_IMAGE017
表示辐射边界；
Figure 606520DEST_PATH_IMAGE019
表示热流输入边界。
取泛函
Figure 379304DEST_PATH_IMAGE021
的一阶变分并令其等于零，即
Figure 936318DEST_PATH_IMAGE032
，可得到与控制方程和定解条件等价的式：
Figure 907685DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure 508431DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 847140DEST_PATH_IMAGE030
称为导热系数矩阵。
进一步的，所述温度场有限元方程采用有限元法，即可得到如下的热传导有限元方程
Figure DEST_PATH_IMAGE037
式中:
Figure DEST_PATH_IMAGE039
—— 总体传导矩阵，由全部单元传导矩阵叠加而成,
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为传导单元总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
—— 待求的总体节点温度列阵，其中给定温度边界上的节点温度取给定值；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
——与内部热源等效的总体节点热流列阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
——总体热容矩阵，由全部单元热容矩阵叠加而成，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
——总体节点温度对时间的导数列阵；
Figure DEST_PATH_IMAGE055
——由热流输入边界产生的相应节点上的等效节点热流；
Figure DEST_PATH_IMAGE057
——总体对流矩阵，由对流单元的对流矩阵叠加而成；
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为对流单元总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE063
——总体辐射矩阵，由辐射单元的辐射矩阵叠加而成，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为辐射单元总数；
Figure DEST_PATH_IMAGE069
——与对流边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非对流边 界上的节点对应的位置上为0；
Figure DEST_PATH_IMAGE071
——与辐射边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非辐射边界上的节点对应的位置上为0；
Figure DEST_PATH_IMAGE073
——待求的处在对流或辐射边界上的节点温度列阵，与非对流或非辐射边界上的节点对应的位置上为0。
进一步的，
Figure 195729DEST_PATH_IMAGE074
表示的是总体热流平衡。
进一步的，所述总体热流平衡还可以为：
Figure 224865DEST_PATH_IMAGE076
式中含有节点温度对时间的导数项
Figure 12824DEST_PATH_IMAGE078
，该项与动力有限元方程中的节点位移对时间的导数项。
进一步的，所述热电偶传感器，采用PT100非探针K型热电偶作为测量传感器。
进一步的，传感器的接入方法采用冲击钻打孔方式钻出小孔，插入热电偶后填入混凝土密封。
混凝土材料的比热、热传导系数和重力密度分别取
Figure 494621DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 705022DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 339397DEST_PATH_IMAGE084
。钢板材料的重力密度取
Figure 547525DEST_PATH_IMAGE086
，热传导系数和比热容可以查询。
由焊接时的线能量确定焊缝的热流密度，线能量系根据焊接时的焊接工艺参数：焊接电压、焊接速度、焊接热效率等确定，线能量为
Figure 516618DEST_PATH_IMAGE088
。
与现有技术相比，本发明通过钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，设计了24通道温度测量系统，制作了模拟工件，并根据补强工艺制作了相应的补强板，依照焊接工艺进行模拟补强操作，在焊接过程中采集了相应的温度场分布数据，从而对温度进行实时模拟。
附图说明
图1为钢板混凝土试件温度曲线号位置；
图2为点1、2、3的温度曲线；
图3为点4、5、6的温度曲线；
图4为点7、8、9的温度曲线；
图5为点10、11、12的温度曲线；
图6为点14、16、17的温度曲线；
图7为各温度时间历程曲线的最高温度。
具体实施方式
下面将结合说明书附图对本发明作进一步阐述，本实施例仅是本发明的优选实施例，并不是本发明的全部实施例，本发明的保护范围以权利要求书为准。
参照图1-7，钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，包括瞬态温度场的控制方程和边界条件，具体如下：
Figure 468393DEST_PATH_IMAGE002
Figure 19591DEST_PATH_IMAGE004
对流边界条件
Figure 398620DEST_PATH_IMAGE006
输入热流边界条件
Figure 855009DEST_PATH_IMAGE008
初始条件
式中，
Figure 155016DEST_PATH_IMAGE010
分别为热传导系数、重力密度、比热和对流系数。
进一步的：温度场变分建立如下函数关系：
Figure 747671DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 297601DEST_PATH_IMAGE013
表示求解域；
Figure 992019DEST_PATH_IMAGE015
表示对流边界；
Figure 347914DEST_PATH_IMAGE017
表示辐射边界；
Figure 60655DEST_PATH_IMAGE019
表示热流输入边界。
取泛函
Figure 532219DEST_PATH_IMAGE021
的一阶变分并令其等于零，即
Figure 697621DEST_PATH_IMAGE023
可得到与控制方程和定解条件等价的式，即
Figure 591628DEST_PATH_IMAGE024
式中，
Figure 175187DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 801340DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 719618DEST_PATH_IMAGE030
称为导热系数矩阵。
进一步的，温度场变分建立如下函数关系：
Figure 165118DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 321293DEST_PATH_IMAGE013
表示求解域；
Figure 649506DEST_PATH_IMAGE015
表示对流边界；
Figure 789500DEST_PATH_IMAGE017
表示辐射边界；
Figure 41621DEST_PATH_IMAGE019
表示热流输入边界。
取泛函
Figure 317882DEST_PATH_IMAGE021
的一阶变分并令其等于零，即
Figure 364466DEST_PATH_IMAGE032
，可得到与控制方程和定解条件等价的式：
Figure 991757DEST_PATH_IMAGE034
式中，
Figure 234519DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 365286DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 786034DEST_PATH_IMAGE030
称为导热系数矩阵。
进一步的，所述温度场有限元方程采用有限元法，即可得到如下的热传导有限元方程
Figure 697359DEST_PATH_IMAGE037
式中:
Figure 478233DEST_PATH_IMAGE039
—— 总体传导矩阵，由全部单元传导矩阵叠加而成,
Figure 742468DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 317805DEST_PATH_IMAGE043
为传导单元总数；
Figure 919688DEST_PATH_IMAGE045
—— 待求的总体节点温度列阵，其中给定温度边界上的节点温度取给定值；
Figure 51723DEST_PATH_IMAGE047
——与内部热源等效的总体节点热流列阵；
Figure 422662DEST_PATH_IMAGE049
——总体热容矩阵，由全部单元热容矩阵叠加而成，
Figure 168901DEST_PATH_IMAGE051
；
Figure 539970DEST_PATH_IMAGE053
——总体节点温度对时间的导数列阵；
Figure 928226DEST_PATH_IMAGE055
——由热流输入边界产生的相应节点上的等效节点热流；
Figure 153671DEST_PATH_IMAGE057
——总体对流矩阵，由对流单元的对流矩阵叠加而成；
Figure 70812DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 398019DEST_PATH_IMAGE061
为对流单元总数；
Figure 121125DEST_PATH_IMAGE063
——总体辐射矩阵，由辐射单元的辐射矩阵叠加而成，
Figure 201076DEST_PATH_IMAGE065
，
Figure 302500DEST_PATH_IMAGE067
为辐射单元总数；
Figure 100691DEST_PATH_IMAGE069
——与对流边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非对流边 界上的节点对应的位置上为0；
Figure 627488DEST_PATH_IMAGE071
——与辐射边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非辐射边界上的节点对应的位置上为0；
Figure 47099DEST_PATH_IMAGE073
——待求的处在对流或辐射边界上的节点温度列阵，与非对流或非辐射边界上的节点对应的位置上为0。
进一步的，
Figure 837200DEST_PATH_IMAGE074
表示的是总体热流平衡。
进一步的，所述总体热流平衡还可以为：
Figure 919426DEST_PATH_IMAGE076
式中含有节点温度对时间的导数项
Figure 938329DEST_PATH_IMAGE078
，该项与动力有限元方程中的节点位移对时间的导数项。
进一步的，所述热电偶传感器，采用PT100非探针K型热电偶作为测量传感器。
进一步的，传感器的接入方法采用冲击钻打孔方式钻出小孔，插入热电偶后填入混凝土密封。
混凝土材料的比热、热传导系数和重力密度分别取
Figure 727293DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 688296DEST_PATH_IMAGE082
，
Figure 742971DEST_PATH_IMAGE084
。钢板材料的重力密度取
Figure 421689DEST_PATH_IMAGE086
，热传导系数和比热容可以查询。
由焊接时的线能量确定焊缝的热流密度，线能量系根据焊接时的焊接工艺参数：焊接电压、焊接速度、焊接热效率等确定，线能量为
Figure 393056DEST_PATH_IMAGE088
。
与现有技术相比，本发明通过钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，设计了24通道温度测量系统，制作了模拟工件，并根据补强工艺制作了相应的补强板，依照焊接工艺进行模拟补强操作，在焊接过程中采集了相应的温度场分布数据，从而对温度进行实时模拟。
在图1中，除了点2、3、5、6、8、9外，其他点都在钢板与混凝土的交界面上。
在图2至图6所示的曲线中，可以看到，交界面的最高温度在点4上，最高温度为
Figure 744534DEST_PATH_IMAGE090
。
从温度场的分布趋势以及温度随时间变化的情况来看，由于钢板未进行预热，熔池与周围温差较大，在焊接过程中，热量可以比较快速扩散。当熔池接近和到达某点时，此点结合面温度迅速升高，当熔池离开后，温度下降。在远离焊道位置，温度梯度逐渐减小，温度波动幅度也逐渐减小，整个钢板混凝土结合面最高温度点出现在模拟点4，最高模拟温度为
Figure 801352DEST_PATH_IMAGE090
。
我们采用TDAM7024数据采集模块为核心搭建温度测量系统，该模块具有24数据通道，可以同时采集24 点温度数据，数据输入类型mV, V, mA, K，J，E，N，R，S，T型热电偶，隔离电压3000 VDC，输入过压保护±220V，采样速度1000 sample/sectotal，输入阻抗20兆欧姆，供电电源24VDC，通信接口为RS485 光电隔离，并采用ESD保护。
由于我们计算机采用的是RS232串口形式，我们采用了RS-485转换RS232模块，通过协议将TDAM7024的24个通道分为三组，相当于1个RS232对应3个并联的RS-485模块，地址分别是0、1、2，理论上，RS485的传输距离可以达到2000m。为了提高仪器的抗焊接电流冲击干扰能力，我们采用外置式模块电源，并采用全金属机箱对模块进行保护。
因为混凝土厚度只有40mm左右，而且温度场变化剧烈，在满足精度要求的情况下，需要采用小型、高敏度的热电偶传感器，我们通过试验，采用PT100非探针K型热电偶作为测量传感器。
测量系统的核心是测量软件的构建，需要对温度变化实时监测，并记录温度变化数据，并可以对数据进行回放和分析。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。通过分析，我们决定采用组态王来构建测量系统的软件系统。
测量系统分为监控主画面、历史数据回放、测量精度校核、通讯端口测试以及打印等几部分构成。监控主画面由6个温度曲线监控画面组成，每个监控画面可以同时监控4条温度曲线，同时，24个温度测量通道还有单独的数据显示通道。温度曲线画面监控横轴为时间轴，可以设定为30分钟、60分钟、120分钟3个时间跨度，为了避免温度数据溢出，温度显示范围可以自动调整量程。历史数据回放可以调用试验数据曲线，并对曲线上某一点进行取值测量。试验数据最终可以通过TXT格式进行传递，并利用excel进行进一步分析。
加工构件，待养护期满后在钢板面焊接加强板，在混凝土的不同部位进行测温，观察焊接后混凝土的变化。
A截面：沿加强板中心点前后500mm三个截面布置9个点（A1~A9），具体布置方式见图6-3-4。B截面：温度测点布置在两侧共6个截面上，每个截面相距50mm。其中B1和B4截面每个截面每个截面沿厚度方向布置三个点，一点为钢板和混凝土结合处，一点为混凝土中心厚度处，一点为混凝土外表面处。B2、B3、B5和B6每个截面测一个点，测点位置为混凝土和钢板结合处。

Claims (8)

1.钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：包括瞬态温度场的控制方程和边界条件，具体如下：
Figure 593960DEST_PATH_IMAGE002
Figure 589729DEST_PATH_IMAGE004
Figure 431783DEST_PATH_IMAGE006
Figure 905621DEST_PATH_IMAGE008
其中T为初始条件，
Figure 47889DEST_PATH_IMAGE010
为对流边界条件，
Figure 948980DEST_PATH_IMAGE012
为输入热流边界条件，
Figure 278330DEST_PATH_IMAGE014
分别为热传导系数、重力密度、比热和对流系数。
2.根据权利要求1所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：温度场变分建立如下函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示求解域；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示对流边界；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示辐射边界；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示热流输入边界。
取泛函
Figure DEST_PATH_IMAGE025
的一阶变分并令其等于零，即
Figure DEST_PATH_IMAGE027
可得到与控制方程和定解条件等价的式，即
Figure 809323DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure 556830DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 612511DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 445469DEST_PATH_IMAGE034
称为导热系数矩阵。
3.根据权利要求2所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：温度场变分建立如下函数关系：
Figure 510377DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 846811DEST_PATH_IMAGE017
表示求解域；
Figure 604552DEST_PATH_IMAGE019
表示对流边界；
Figure 656297DEST_PATH_IMAGE021
表示辐射边界；
Figure 10049DEST_PATH_IMAGE023
表示热流输入边界。
取泛函
Figure 715837DEST_PATH_IMAGE025
的一阶变分并令其等于零，即
Figure 864052DEST_PATH_IMAGE036
，可得到与控制方程和定解条件等价的式：
Figure 920870DEST_PATH_IMAGE038
式中，
Figure 78313DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 638607DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 485953DEST_PATH_IMAGE034
称为导热系数矩阵。
4.根据权利要求1所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：所述温度场有限元方程采用有限元法，即可得到如下的热传导有限元方程
Figure 498909DEST_PATH_IMAGE040
式中:
Figure 460042DEST_PATH_IMAGE042
—— 总体传导矩阵，由全部单元传导矩阵叠加而成,
Figure 625576DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 896020DEST_PATH_IMAGE046
为传导单元总数；
Figure 412583DEST_PATH_IMAGE048
—— 待求的总体节点温度列阵，其中给定温度边界上的节点温度取给定值；
Figure 895517DEST_PATH_IMAGE050
——与内部热源等效的总体节点热流列阵；
Figure 443786DEST_PATH_IMAGE052
——总体热容矩阵，由全部单元热容矩阵叠加而成，
Figure 619552DEST_PATH_IMAGE054
；
Figure 623411DEST_PATH_IMAGE056
——总体节点温度对时间的导数列阵；
Figure 801714DEST_PATH_IMAGE058
——由热流输入边界产生的相应节点上的等效节点热流；
Figure 191107DEST_PATH_IMAGE060
——总体对流矩阵，由对流单元的对流矩阵叠加而成；
Figure 285577DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 26000DEST_PATH_IMAGE064
为对流单元总数；
Figure 867049DEST_PATH_IMAGE066
——总体辐射矩阵，由辐射单元的辐射矩阵叠加而成，
Figure 392839DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 910408DEST_PATH_IMAGE070
为辐射单元总数；
Figure 623280DEST_PATH_IMAGE072
——与对流边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非对流边 界上的节点对应的位置上为0；
Figure 517287DEST_PATH_IMAGE074
——与辐射边界上的节点对应的总体节点环境温度列阵，与非辐射边界上的节点对应的位置上为0；
Figure 894654DEST_PATH_IMAGE076
——待求的处在对流或辐射边界上的节点温度列阵，与非对流或非辐射边界上的节点对应的位置上为0。
5.根据权利要求4所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：
Figure 68277DEST_PATH_IMAGE078
此公式表示的是总体热流平衡。
6.根据权利要求4所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：总体热流平衡可以为：
Figure 783293DEST_PATH_IMAGE080
式中含有节点温度对时间的导数项
Figure 231723DEST_PATH_IMAGE082
，该项与动力有限元方程中的节点位移对时间的导数项。
7.根据权利要求1-6所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：热电偶传感器，采用PT100非探针K型热电偶作为测量传感器。
8.根据权利要求7所述的钢板混凝土试件焊接瞬态温度场有限元数值模拟，其特征在于：传感器的接入方法采用冲击钻打孔方式钻出小孔，插入热电偶后填入混凝土密封。
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