CN113297778A - 超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，包括：步骤1：建立绝热管中间部分的螺旋型波纹管和端部的圆柱管模型；步骤2：基于步骤1的模型，建立热源模型，以指定热源温度的方式模拟焊接过程，并计算过程中螺旋型波纹管和圆柱管的焊接残余应力。本发明在建模基础上进行焊接残余应力分析，建模时，在外侧的螺纹管部分由拉伸形成，在划分网格时，几何的轮廓线明确，在ICEM中能够被准确的识别；划分网格采用混合网格的形式，既可以捕捉到螺纹管内几何的细节，也可以在两侧区域减少计算资源的消耗。
Description
技术领域
本发明属于波纹管技术领域，涉及超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法。
背景技术
波纹管主要包括金属波纹管、波纹膨胀节、波纹换热管、膜片膜盒和金属软管等。金属波纹管在超导电缆上的应用在于补偿管线热变形、减震、吸收管线沉降变形。
焊接引起的变形及其所产生的残余应力和应变会影响金属波纹管正常使用，对于波纹管的焊接残余应力分析一般采用许多供工程设计使用的计算公式、计算程序和图表。但是，由于图表或程序繁复使用不方便，假设条件不是过于简化就是过于理想，难以保证使用上的安全可靠，造成分析过程繁琐，分析结构精度低等问题，不能完全适用于实际工程。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，包括以下步骤：
步骤1：建立绝热管中间部分的螺旋型波纹管和端部的圆柱管模型；
步骤2：基于步骤1的模型，建立热源模型，以指定热源温度的方式模拟焊接过程，并计算过程中螺旋型波纹管和圆柱管的焊接残余应力。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：在Solidworks中对螺旋型波纹管和圆柱管分别进行几何建模；
步骤1.2：在ANSYS ICEM软件中进行网格离散。
优选地，所述步骤1.1，在Solidworks中，按照尺寸拉伸，建立圆柱管几何模型。
优选地，所述步骤1.1中，对螺旋型波纹管进行几何建模，包括：
步骤1.1.1：在Solidworks中，拉出与波纹管内径相同的圆柱；
步骤1.1.2：在圆柱沿轴线的截面上画出单个波节的波形；
步骤1.1.3：在圆柱外表面画出与螺纹管波距相同的螺旋线，并将之前画出的单个波节图形沿螺旋线拉伸；
步骤1.1.4：将步骤1.1.3拉伸后的几何与步骤1.1.1的圆柱形几何合并，得到螺旋型波纹管；
步骤1.1.5：在螺旋型波纹管两侧应各加上螺旋型波纹管等长的直管段，使流动在直管段充分发展，从而保证后续的计算精度。
优选地，步骤1.1.2所述波形与实际波纹管的外型相同，且高度与波高相同。
优选地，步骤1.2中，采用混合网格的形式在ANSYS ICEM软件中进行网格离散，具体为：
对于螺旋型波纹管，采用非结构网格，而对于螺旋型波纹管两侧的直管段，采用非结构网格；
在两种网格的交界面处采用两队交界面来连接网格。
优选地，步骤1.2中，网格的特征尺寸，即Max Element值选取为入口段直径的1/10或1/10以下。
优选地，步骤2中，沿焊缝长度方向运动的点热源，通过有限元仿真形式建立热源模型。
优选地，步骤2中，根据材料自身物性，通过多物理场耦合仿真获得残余应力。
本申请所达到的有益效果：
1.本发明在建模基础上进行焊接残余应力分析，建模时，在外侧的螺纹管部分由拉伸形成，在划分网格时，几何的轮廓线明确，在ICEM中能够被准确的识别；
2.本发明划分网格采用混合网格的形式，既可以捕捉到螺纹管内几何的细节，也可以在两侧区域减少计算资源的消耗。
附图说明
图1是本发明方法流程图；
图2是本发明实施例中拉伸内径得到螺纹管基底示意图；
图3本发明实施例中画出单节螺纹管形状并沿螺旋线拉伸示意图
图4本发明实施例中沿螺纹管两侧各拉出直管段示意图
图5本发明实施例中生成的非结构网格及其参数设置；
图6本发明实施例中两侧使用Block生成的结构网格；
图7本发明实施例中拼接后的网格及其质量分布直方图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，包括以下步骤：
步骤1：建立绝热管中间部分的螺旋型波纹管和端部的圆柱管模型，包括：
步骤1.1：在Solidworks中对螺旋型波纹管和圆柱管分别进行几何建模；
具体实施时，在Solidworks中，按照尺寸拉伸，建立圆柱管几何模型；
不同于膨胀型(环形)的螺纹管，螺旋型的波纹管不可以通过简单的拉伸形成。因此，所述步骤1.1中，对螺旋型波纹管进行几何建模，包括：
步骤1.1.1：在Solidworks中，拉出与波纹管内径相同的圆柱；
具体实施时，长度选取为200mm(约4～5倍波纹管外径)，波纹管段长度选取为200mm可以保证其内流动在波纹管内达到稳定的流动状态。
步骤1.1.2：在圆柱沿轴线的截面上画出单个波节的波形，受限于测量手段，波形不可能和实际波纹管的形状完全相同，但应保证所述波形与实际波纹管的外型相同，且高度与波高相同。
步骤1.1.3：在圆柱外表面画出与螺纹管波距相同的螺旋线，并将之前画出的单个波节图形沿螺旋线拉伸；
步骤1.1.4：将步骤1.1.3拉伸后的几何与步骤1.1.1的圆柱形几何合并，得到长度为200mm的螺旋型波纹管；
步骤1.1.5：在螺旋型波纹管两侧应各加上200mm的直管段，使流动在直管段充分发展，从而保证后续的计算精度。
以外径为50mm的DN50型号波纹管为例，绘制螺纹管的过程如图2、图3、图4所示。对于其他型号的波纹管，创建几何的方法大致相同，只需更改对应的几何参数即可。
这样创建几何有着明显的优势：
在划分网格时，在外侧的螺纹管部分因其由拉伸形成，所以几何的轮廓线明确，在ICEM中能够被准确的识别。除此之外还有一种拉伸波纹管的方法为由2D圆形沿螺旋线旋转得到螺纹管，此方法得到的几何在ICEM中不能被准确的修复。因此划分网格质量很差。另外，这样创建几何的优势还在于在入口段，流动能够充分发展，得到的压降更接近较长的管路中的实际单位长度内的压降，同时，出口段的流动不受波纹管段的影响，计算过程中不会出现回流区域，也保证了计算过程中的质量守恒。
步骤1.2：在ANSYS ICEM软件中进行网格离散；
具体实施时，对于上述几何，有几个特点应在划分网格过程中被注意到：
首先，螺纹管段为螺旋前进的扫掠部分。这部分很难用结构网格进行区域离散。其次，在之后的研究中，会加入插入内芯的影响。因此，螺旋管中部的几何十分复杂，不适合使用结构网格进行划分。而同时，两段的几何十分规则，为与内径同等直径的圆柱体，在这部分使用非结构网格会加大数值耗散，增加网格数量，同时降低计算效率。
因此，划分网格采用混合网格的形式，对于螺旋型波纹管，采用非结构网格，而对于螺旋型波纹管两侧的直管段，采用非结构网格；在两种网格的交界面处采用两队交界面来连接网格。
这样划分的网格，既可以捕捉到螺纹管内几何的细节，也可以在两侧区域减少计算资源的消耗。同时，保证了网格的整体质量，网格最终质量均在0.3以上，满足计算对网格质量的要求。同样的，以DN50I规格的螺纹管为例，图5-图7说明了划分网格中重要步骤和最后的质量分布图，其余几种规格划分网格的方法与该规格类似，且最后得到的质量也相似。
需要注意的是，使用结构网格和非结构网格的混合网格是为了减少计算中网格的数量，例如在两侧均匀发展段使用结构网格可以使用较少的网格提升当地的计算精度。而计算资源充足时，可以使用非结构网格生成整个计算域内的网格。这两种网格生成方法得到的网格质量并无明显区别。
生成网格中比较重要的参数为网格的特征尺寸，即Max Element值，其值选取为入口段直径的1/10及以下得到的压降数据区别不大且与实验值吻合较好。
步骤2：基于步骤1的模型，建立热源模型，以指定热源温度的方式模拟焊接过程，并计算过程中螺旋型波纹管和圆柱管的焊接残余应力。
具体实施时，沿焊缝长度方向运动的点热源，通过有限元仿真形式建立热源模型。
根据材料自身物性，通过多物理场耦合仿真获得残余应力。
综上所述，本发明在建模基础上进行焊接残余应力分析，建模时，在外侧的螺纹管部分由拉伸形成，在划分网格时，几何的轮廓线明确，在ICEM中能够被准确的识别；本发明划分网格采用混合网格的形式，既可以捕捉到螺纹管内几何的细节，也可以在两侧区域减少计算资源的消耗。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤1：建立绝热管中间部分的螺旋型波纹管和端部的圆柱管模型；
步骤2：基于步骤1的模型，建立热源模型，以指定热源温度的方式模拟焊接过程，并计算过程中螺旋型波纹管和圆柱管的焊接残余应力。
2.根据权利要求1所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1：在Solidworks中对螺旋型波纹管和圆柱管分别进行几何建模；
步骤1.2：在ANSYSICEM软件中进行网格离散。
3.根据权利要求2所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：所述步骤1.1，在Solidworks中，按照尺寸拉伸，建立圆柱管几何模型。
4.根据权利要求2所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：所述步骤1.1中，对螺旋型波纹管进行几何建模，包括：
步骤1.1.1：在Solidworks中，拉出与波纹管内径相同的圆柱；
步骤1.1.2：在圆柱沿轴线的截面上画出单个波节的波形；
步骤1.1.3：在圆柱外表面画出与螺纹管波距相同的螺旋线，并将之前画出的单个波节图形沿螺旋线拉伸；
步骤1.1.4：将步骤1.1.3拉伸后的几何与步骤1.1.1的圆柱形几何合并，得到螺旋型波纹管；
步骤1.1.5：在螺旋型波纹管两侧应各加上螺旋型波纹管等长的直管段，使流动在直管段充分发展，从而保证后续的计算精度。
5.根据权利要求4所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤1.1.2所述波形与实际波纹管的外型相同，且高度与波高相同。
6.根据权利要求2所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤1.2中，采用混合网格的形式在ANSYSICEM软件中进行网格离散，具体为：
对于螺旋型波纹管，采用非结构网格，而对于螺旋型波纹管两侧的直管段，采用非结构网格；
在两种网格的交界面处采用两队交界面来连接网格。
7.根据权利要求2所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤1.2中，网格的特征尺寸，即Max Element值选取为入口段直径的1/10或1/10以下。
8.根据权利要求1所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤2中，沿焊缝长度方向运动的点热源，通过有限元仿真形式建立热源模型。
9.根据权利要求1所述的超导电缆波纹管的焊接残余应力分析方法，其特征在于：步骤2中，根据材料自身物性，通过多物理场耦合仿真获得残余应力。
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