CN111597739A - 一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立异种材料管板结构焊接过程的热力耦合计算模型；步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；步骤4、任务提交求解并进行后处理。通过本发明的方法能实现对异种材料管板结构焊接过程的温度场及应力场的模拟计算，能通过模拟得到管板结构焊接后构件上的应力分布及变形情况，预判构件在使用过程中失效位置，指导实际使用。
Description
技术领域
本发明属于焊接数值模拟技术领域，涉及一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法。
背景技术
在换热器、反应器等压力容器制造领域，管与板之间的连接是压力容器制造过程的关键工序，由于管、板所接触工作介质的差异，在现实生产中多采用异种材料。焊接过程具有高温、瞬时、动态等特点，以及异种材料的热物理性质和力学性能之间存在较大的差异，使用传统的测试方法难以准确获得焊接过程中焊接构件上温度、应力等参量的变化情况，随着计算机硬件和数值分析技术的发展，通过对焊接过程建立物理模型，并采用合适的数值方法对物理模型进行求解，获得求解域内的状态变量。可以精确预测焊接过程中焊件上温度及应力分布，弥补了传统实验方法的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，解决了现有技术中存在的使用异种材料制造管板结构在焊接过程中焊件温度变化及焊后残余应力、变形难以预测的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立异种材料管板结构焊接过程的热力耦合计算模型；
步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；
步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；
步骤4、任务提交求解并进行后处理。
本发明的特点还在于：
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、利用三维造型软件对圆管、管板及焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；
步骤1.2、利用编程语言定义圆管、管板及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；
步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分。
步骤1.3具体为，先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分。
步骤2具体为，在初始步中设置焊接构件的初始温度和温度场的边界条件，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流。
温度场的边界条件包括对流和热辐射。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、基于平板焊接模型常用的椭圆或双椭球热源模型，针对管板结构的焊接具有一定角度、最终形成环形焊缝的特点，对热源模型进行修正；
将直角坐标系换为柱坐标系，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，焊接角度为α时，相对平板焊接时(x，y，z)的热输入量，管板焊接时相应热源输入位置为(x1，y1，z1)，其中：
x＝x1*cosα
y＝x1*sinα
z1＝z
步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立管板环焊缝焊接的整体热源模型，其热源模型分为以下两个部分：
沿焊接方向前半部分的椭球内部一点的生热率为：
沿焊接方向后半部分的椭球内部一点的生热率为：
其中，q1、q2为热生成率；af、ar、b、c为双椭球热源形状参数；η为焊接热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；ff为热源模型前部分的能量分配系数；fr为热源模型后部分的能量分配系数；
步骤3.3、利用工具-集-创建-单元-以拓扑为单元选择集合，创建焊缝单元的集合，并对焊缝进行命名，以确定热源模型子程序路径，建立求解任务。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、建立分析步，整个焊接模拟过程分为4个分析步，第一个分析步为step-1，进行外焊缝的焊接；第二个分析步为step-2，外焊缝焊接完成后冷却过程；第三个分析步为step-3，进行内焊缝的焊接；第四个分析步为step-4，即整个焊接过程完成后冷却过程；
步骤4.2、提交求解任务并进行温度场的求解，有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：
求解温度场时，通过生死单元来模拟热源移动，即焊接材料填充过程，求解之前需“杀死”内、外焊缝所包含单元，在求解过程中逐步激活；
步骤4.2、求解应力场，将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体平移或刚性转动；
步骤4.3、进入后处理器，读取计算结果，获得管板结构焊接过程的温度场及应力场。
本发明的有益效果是：
1、通过本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法能实现对异种材料管板结构焊接过程的温度场及应力场的模拟计算；
2、通过本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法能通过模拟得到管板结构焊接后构件上的应力分布及变形情况，预判构件在使用过程中失效位置，指导实际使用。
附图说明
图1是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中管板焊接件的结构示意图；
图2是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中焊接结构的网格划分图；
图3是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中外焊缝焊接完成时温度分布；
图4是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中外焊缝焊后冷却100s时温度分布；
图5是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中内焊缝焊接完成时温度分布；
图6是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中内焊缝焊后冷却100s时温度分布；
图7是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中外焊缝焊后等效残余应力分布图；
图8是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中内焊缝焊后等效残余应力分布图；
图9是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的实例中外焊缝焊后等效应变图；
图10是本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟实例中内焊缝焊后等效应变图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立异种材料管板结构焊接过程的热力耦合计算模型；
步骤1.1、对模拟对象进行分析，利用CATIA、Solidworks、Pro/E等三维造型软件建立三维实体模型，包括圆管、管板及焊缝等部分，将模型的不同部分进行合并装配成整体几何模型，将模型以.model文件格式导出，并将此文件导入到ANSYS有限元软件；
步骤1.2、利用APDL编程语言定义圆管、管板及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，包括密度、导热系数、比热容、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等，并将材料属性分别赋予相应结构部位；
步骤1.3、利用ANSYS软件自带的ICEM CFD模块对模型进行网格划分，模型整体选用三维热实体单元SOLID70，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分；首先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分，网格尺寸根据实际进行调整，为保证计算精度、提高计算效率，将焊缝及其附近区域网格细密划分而在远离焊缝区域增大网格尺寸，若网格划分失败，可以检查网格尺寸是否合理，扫掠方向是否正确，完成整个模型的网格划分后，进行网格质量检查，当网格质量不存在错误且警告值小于10％时认为该网格合格；
步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；
在初始步中设置焊接构件的初始温度并设置温度场的边界条件(包括对流和热辐射)，以得到比较精确的温度场，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流；
步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；
步骤3.1、基于平板焊接模型常用的椭圆或双椭球热源模型，针对管板结构的焊接具有一定角度、最终形成环形焊缝的特点，对热源模型进行修正；
管板焊接形成环焊缝，将直角坐标系换为柱坐标系，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，焊接角度为α时，相对平板焊接时(x，y，z)的热输入量，管板焊接时相应热源输入位置为(x1，y1，z1)，其中：
x＝x1*cosα
y＝x1*sinα
z1＝z
步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立管板环焊缝焊接的整体热源模型，其热源模型分为以下两个部分：
沿焊接方向前半部分的椭球内部一点的生热率为：
沿焊接方向后半部分的椭球内部一点的生热率为：
其中，q1、q2为热生成率；af、ar、b、c为双椭球热源形状参数；η为焊接热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；ff为热源模型前部分的能量分配系数；fr为热源模型后部分的能量分配系数；
步骤3.3、利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合，创建焊缝单元的集合，并对焊缝进行命名，以确定热源模型子程序路径，建立求解任务；
步骤4、任务提交求解并进行后处理；
步骤4.1、建立分析步，整个焊接模拟过程分为4个分析步，第一个分析步为step-1，进行外焊缝的焊接；第二个分析步为step-2，外焊缝焊接完成后冷却过程；第三个分析步为step-3，进行内焊缝的焊接；第四个分析步为step-4，即整个焊接过程完成后冷却过程；
步骤4.2、提交求解任务并进行温度场的求解，通用有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：
求解温度场时，通过生死单元来模拟热源移动(焊接材料填充)过程，求解之前需“杀死”内、外焊缝所包含单元，在求解过程中逐步激活；
步骤4.2、求解应力场，将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体平移或刚性转动；
步骤4.3、进入后处理器，读取计算结果，获得管板结构焊接过程的温度场及应力场。
实施例
一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，以工业中用于冷热介质热交换作业的换热器的换热管(20钢)，即圆管与管板(Q345钢)焊接过程的计算为例进行说明，其中20钢化学成分(wt.％)如下表：
| 碳(C) | 硅(Si) | 锰(Mn) | 硫(S) | 磷(P) | 铬(Cr) | 镍(Ni) | 铜(Cu) |
| ≤0.22 | ≤0.23 | ≤0.51 | ≤0.011 | ≤0.009 | ≤0.03 | ≤0.04 | ≤0.07 |
Q345钢化学成分(wt.％)如下表：
| 碳(C) | 磷(P) | 硅(Si) | 钒(V) | 锰(Mn) | 铝(Al) | 钛(Ti) | 硫(S) |
| ≤0.20 | ≤0.040 | ≤0.55 | 0.02-0.15 | 1.00-1.60 | 0.015-0.060 | 0.02-0.20 | ≤0.040 |
具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立20钢-Q345钢管板结构焊接过程的热力耦合计算模型；
步骤1.1、对模拟对象进行分析，利用三维造型软件CATIA建立三维实体模型，包括换热管、管板及焊缝，将模型不同部分进行合并装配成整体几何模型，如图1所示，左为管板结构的俯视图，右为剖视图，其中换热管外径为168mm，内径为156mm，长为250mm；管板尺寸为300×300×20mm。将模型以.model文件格式导出，并将此文件导入ANSYS有限元软件；
步骤1.2、设置换热管、管板及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，包括密度、导热系数、比热容、弹性模量、泊松比、热膨胀系数等，并将材料属性分别赋予相应结构部位，本实例中使用ER50-6是碳钢氩弧焊丝进行焊接，其物理性能参数与Q345钢接近，因此用Q345钢物理性能参数代替焊缝的物理性能参数，ER50-6是碳钢氩弧焊丝化学成分(wt.％)如下表：
| 元素 | 碳(C) | 锰(Mn) | 硅(Si) | 硫(S) | 铜(Cu) |
| 保证值 | 0.06-0.15 | 1.4-1.85 | 0.8-1.15 | ≤0.035 | ≤0.05 |
20钢、Q345钢随温度变化的物理性能参数如下表：
步骤1.3、利用ANSYS软件自带的ICEM CFD模块对模型进行网格划分，模型整体选用三维热实体单元SOLID70(它是一种由8节点组成的六面体单元，每个节点具有温度自由度，可以很好的模拟实体温度的变化)，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，首先利用mesh200过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分，网格尺寸可以根据实际进行调整，为保证计算精度、提高计算效率，将焊缝及其附近区域网格细密划分而在远离焊缝区域增大网格尺寸，本实例中焊缝及其附近区域网格尺寸设为0.002mm，远离焊缝的区域网格尺寸设为0.01mm，如图2所示，若网格划分失败，可以检查网格尺寸是否合理，扫掠方向是否正确，完成整个模型的网格划分后，进行网格质量检查，当网格质量不存在错误且警告值小于10％时认为所化网格合格；
步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；
在初始步中设置焊接构件的初始温度并设置温度场的边界条件(包括对流和热辐射)，以得到比较精确的温度场，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流，在本实施例中，焊接构件的初始温度设置为25℃，将热辐射和对流综合考虑，加载时按对流加载，总换热系数设置为15mW/mm^2*c；
步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；
步骤3.1、基于平板焊接模型常用的椭圆或双椭球热源模型，针对管板结构的焊接具有一定角度、最终形成环形焊缝的特点，对热源模型进行修正，
管板焊接形成环焊缝，需将直角坐标系换为柱坐标系，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，焊接角度为α时，相对平板焊接时(x，y，z)的热输入量，管板焊接时相应热源输入位置为(x1，y1，z1)，其中：
x＝x1*cosα
y＝x1*sinα
z1＝z
步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立管板环焊缝焊接的整体热源模型，其热源模型分为以下两个部分：
则沿焊接方向前半部分的椭球内部一点的生热率为
沿焊接方向后半部分的椭球内部一点的生热率为：
其中，q1、q2为热生成率；af、ar、b、c为双椭球热源形状参数；η为焊接热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；ff为热源模型前部分的能量分配系数；fr为热源模型后部分的能量分配系数，在本实施例中，使用“SET”命令对以上参数进行赋值，af＝0.0025、ar＝0.003、b＝0.004、c＝0.006、η＝0.76、ff＝0.6、fr＝1.4；电压U的范围为26.8～27.5V，本实施例中U设为27V；电流I的范围为230～249A，本实施例中I设为240A。
步骤3.3、利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合，创建焊缝单元的集合，并对焊缝进行命名，Weld-1表示外焊缝，Weld-2表示内焊缝，以确定热源模型子程序路径，建立求解任务；
步骤4、任务提交求解并进行后处理；
步骤4.1、建立分析步，在本实施例中将整个焊接模拟过程分为4个分析步，第一个分析步为step-1，进行外焊缝的焊接，分析时间为144s；第二个分析步为step-2，外焊缝焊接完成后冷却过程，分析时间为100s；第三个分析步为step-3，进行内焊缝的焊接，分析时间为144s；第四个分析步为step-4，即整个焊接过程完成后冷却过程，分析时间为100s。
步骤4.2、提交求解任务并进行温度场的求解，通用有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：
求解温度场时，通过生死单元来模拟热源移动(焊接材料填充)过程，求解之前需“杀死”内、外焊缝所包含单元，在求解过程中逐步激活；
步骤4.2、求解应力场，将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体平移或刚性转动，在本实施例中，对Q345钢管板三个角施加位移约束以防止其在焊接过程中产生位移；
步骤4.3、进入后处理器，读取计算结果，获得管板结构焊接过程的温度场及应力场。
从图中可看出，外焊缝焊接完成时热源中心温度为3913℃，焊后冷却100S时峰值温度为365℃(图3、图4)，内焊缝焊接完成时热源中心温度为2356℃，焊后冷却100S时峰值温度为219℃(图5、图6)，温度从焊缝收弧处逐渐向母材(20钢和Q345钢侧)两侧扩散。
在等效残余应力中，外焊缝焊后残余应力主要集中在焊缝及热影响区(图7)，其中最大应力出现在焊缝处，其值为975MPa；内焊缝焊后残余应力主要集中在靠近20钢的热影响区(图8)，其中最大应力出现在焊缝处，其值为415MPa。
由外焊缝焊后应变云图(图9)可知，在焊后最大等效应变为0.06mm，出现在Q345钢和20钢远离焊缝的边沿处；由内焊缝焊后应变云图(图10)可知，在焊后最大等效应变为0.08mm，出现在Q345钢远离焊缝的边沿处。
Claims (7)
1.一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、建立异种材料管板结构焊接过程的热力耦合计算模型；
步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；
步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；
步骤4、任务提交求解并进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、利用三维造型软件对圆管、管板及焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；
步骤1.2、利用编程语言定义圆管、管板及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；
步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分。
3.根据权利要求2所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1.3具体为，先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2具体为，在初始步中设置焊接构件的初始温度和温度场的边界条件，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流。
5.根据权利要求4所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述温度场的边界条件包括对流和热辐射。
6.根据权利要求1所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、基于平板焊接模型常用的椭圆或双椭球热源模型，针对管板结构的焊接具有一定角度、最终形成环形焊缝的特点，对热源模型进行修正；
将直角坐标系换为柱坐标系，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，焊接角度为α时，相对平板焊接时(x，y，z)的热输入量，管板焊接时相应热源输入位置为(x1，y1，z1)，其中：
x＝x1*cosα
y＝x1*sinα
z1＝z
步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立管板环焊缝焊接的整体热源模型，其热源模型分为以下两个部分：
沿焊接方向前半部分的椭球内部一点的生热率为：
沿焊接方向后半部分的椭球内部一点的生热率为：
其中，q1、q2为热生成率；af、ar、b、c为双椭球热源形状参数；η为焊接热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；ff为热源模型前部分的能量分配系数；fr为热源模型后部分的能量分配系数；
步骤3.3、利用工具-集-创建-单元-以拓扑为单元选择集合，创建焊缝单元的集合，并对焊缝进行命名，以确定热源模型子程序路径，建立求解任务。
7.根据权利要求1所述的一种异种材料用于管板结构焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、建立分析步，整个焊接模拟过程分为4个分析步，第一个分析步为step-1，进行外焊缝的焊接；第二个分析步为step-2，外焊缝焊接完成后冷却过程；第三个分析步为step-3，进行内焊缝的焊接；第四个分析步为step-4，即整个焊接过程完成后冷却过程；
步骤4.2、提交求解任务并进行温度场的求解，有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：
求解温度场时，通过生死单元来模拟热源移动，即焊接材料填充过程，求解之前需“杀死”内、外焊缝所包含单元，在求解过程中逐步激活；
步骤4.2、求解应力场，将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体平移或刚性转动；
步骤4.3、进入后处理器，读取计算结果，获得管板结构焊接过程的温度场及应力场。
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