CN117236139B - 一种风电塔筒焊接残余应力预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，涉及焊接应力计算技术领域，建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料表面各网格热流密度函数，确定材料表面各网格的热流能量；在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置，可有效控制焊接的变形，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及焊接应力计算技术领域，具体涉及一种风电塔筒焊接残余应力预测方法。
背景技术
随着我国风电市场的迅猛发展，风力发电机组单机容量越来越大，3MW塔筒生产已经越来越普遍，由于发电机及塔筒自重都在增加，塔筒直径及壁板的厚度也越来越大，直径一般达到4700mm,壁板厚度可达到60mm,而且每段塔筒的长度均达到15m以上，塔筒材料是低合金材料Q345E，对于这样的大件要采用热处理的方式消除焊接应力，以塔筒厂的生产条件很难达到。焊接技术是工程现场施工的关键技术，在塔筒环缝、纵缝的焊接时采用的是埋弧自动焊,在填充金属时接头部位留有余高、凹坑及各种焊接缺陷,在外界环境的作用下，风电塔筒就会产生晃动，导致结构变形，产生较大的应力，使用寿命降低，威胁人身安全。焊接过程中不可避免的会产生焊接残余应力，残余应力的存在是焊接接头脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要因素，研究残余应力的分布特征对工程构件使用的长效性、安全性具有举足轻重的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，包括如下步骤：
S1、建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；
S2、在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料各网格处的热流密度函数和热流能量；
S3、在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；
S4、通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置。
进一步地，步骤S2中，计算风电塔筒施加单一热载荷的热流密度函数为：
；
式中，H为焓值,U为热流能量扩散速度,Q(x,y,z)为单一热载荷的在位置(x,y,z)处的热流密度,K为导热系数，T为位置(x,y,z)处的温度。
进一步地，步骤S2中，位置(x,y,z)处的热流能量为：
；
式中，L为材料对热流能量的吸收系数,rb为焊接热载荷辐射最大半径。
进一步地，步骤S3中，多个热载荷在网格(x,y,z)处引起的平均热流密度计算公式如下：
；
式中，Tm(x,y,z)为第m个热载荷在（x,y,z）网格处施加的温度；T1为（x,y,z）网格处的初始温度；为第m个热载荷的热流能量；Cp为空气比热容；/>为空气密度；M为热载荷个数。
进一步地，待焊接区域内在（x,y,z）网格处的热流能量交互C(x,y,z)如下式所示:
；
式中:为待焊接材料的密度，/>为待焊接材料的比热，/>为待焊接材料的导热系数，/>为(x,y,z)网格处的热载荷的叠加的平均热流密度。
进一步地，步骤S4中，待预测材料的焊接方向的残余应力为：
；
式中：为待预测的焊接区域，A(x,y,z)为待预测的焊接区域中单位网格体积，hf为待预测材料的厚度；Bf待预测材料上热弹塑性计算得到的塑性应变分布宽度；Q(x,y,z)为位置(x,y,z)处的热载荷的热流密度，/>焊接区域中热载荷输入热流的总和，C(x,y,z)为待焊接材料表面各网格的热流能量交互。
进一步地，焊接热载荷高斯函数为：
；
式中，Q(x,y,z)为单一热载荷的在位置(x,y,z)处的热流密度,re,ri为高斯锥体体热载荷上下表面最大半径，ze,zi为热源上下表面最大半径所在的椎体顶点的z轴坐标，x,y,z为热载荷的热流分布空间上任意一个网格的空间坐标。
进一步地，边界条件为：
；
式中n为表面法线方向,为待焊接区域,/>为待焊接材料表面,hc为待焊接材料表面换热系数,/>为环境温度，T为材料温度,I(x,y)为热流能量在材料表面的分布函数，K为导热系数。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料表面各网格热流密度函数，确定材料表面各网格的热流能量；通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置，可有效控制焊接的变形，避免产生焊接裂纹、层状撕裂的缺陷。
在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互，可以通过多个热载荷的温度分布情况，更改软件模拟的热源的参数，或者通过更改焊接顺序，进行多次残余应力预测，最终得到最理想的热源参数与焊接参数，即实现了焊接工艺的优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的风电塔筒焊接残余应力预测方法的流程图。
图2为本发明的待焊接区域网格划分示意图。
图3为本发明的高斯锥体焊接热载荷示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
如图1所示，为本发明的风电塔筒焊接残余应力预测方法的流程图，该方法包括：
步骤S1、建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分。
利用三维造型软件对母材、焊缝完成风电塔筒三维实体模型的建立；定义母材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，并将材料属性分别赋予风电塔筒相应结构部位。
利用ANSYS Workbench中的ICEM CFD模块对三维实体模型进行网格划分，三维实体模型整体选用三维热实体单元Solid90，按照从焊缝向周围扩散的顺序进行网格划分。
在三维实体模型构建过程中，焊缝及附近区域由于受到热输入影响大使得其温度梯度变化较大，引起焊接应力较大，因此在分析计算过程中为获得更精确的计算结果，对焊缝及周围区域进行网格加密处理，焊缝区域网格整体尺寸为0.5mm左右。
在距离焊缝较远区域的母材部分，受热源影响较小，采用较大尺寸网格划分，简化计算模型，最大单元网格尺寸为6mm，连接两个区域间的部分采用过渡网格进行划分。采用此网格划分方法对焊接接头进行划分在保证计算精度的同时，缩减模型计算过程，提高有限元分析效率。网格划分如图2所示。
步骤S2、在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料表面各网格热流密度函数，确定材料表面各网格的热流能量。
焊接过程中随着焊接热载荷的集中加载以及瞬时移动,焊件温度经历快速上升并冷却的过程,焊件内部产生不均匀场,产生较大应力和应变。因此,焊接热载荷的选择影响焊件温度场、应力场结果。
计算风电塔筒单一热载荷的热流密度函数为：
；
式中，为焓值,/>为待焊接材料的密度，U为热流能量扩散速度,Q(x,y,z)为单一热载荷高斯函数,K为导热系数，T为(x,y,z)处的温度。
如图3所示，高斯锥体焊接热载荷可以反映焊接热载荷在深度方向上的分布特点，其焊接热载荷高斯函数为：
；
式中，Q(x,y,z)为热载荷的热流密度，re,ri为高斯锥体体热载荷上下表面最大半径，ze,zi为热源上下表面最大半径所在的椎体顶点的z轴坐标，x,y,z为热载荷的热流分布空间上任意一个网格的空间坐标。
热流能量I0(x,y,z)为：
；
式中，L为材料对热流能量的吸收系数,rb为焊接热载荷辐射最大半径，x,y,z为热载荷的热流分布空间上任意一点的空间坐标。
由于材料对热流能量的衰减,热流能量在材料表面的分布函数I(x,y)可表示为：
；
式中，为衰减系数,n(x,y)为材料表面密度分布函数。
在优选实施例中，设置边界条件为：
；
式中n为表面法线方向,为热辐射区域,/>为成形件表面,hc为表面换热系数,/>为环境温度。
步骤S3、在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互。
通过改变扰动强度确定材料表面各网格温度变化规律及热流能量交互规律；采用热流能量交互的方法得到不同温度场叠加强度对室内各网格温度的热影响贡献，通过热流体力学仿真运算确定滞后时间；在各温度场固定的情况下，每个热源对温度场分布的热流能量交互被视为常数。
当热源强度发生变化时，多个热载荷在(x,y,z)网格处引起的的叠加的平均热流密度计算公式如下：
；
式中，Tm(x,y,z)为第m个热载荷在（x,y,z）网格处施加的温度；T1为（x,y,z）网格处的初始温度；Im(x,y,z)为第m个热载荷的热流能量；Cp为空气比热容；为空气密度；M为热载荷个数。
焊接过程开始后，温度场处于不稳定状态，焊缝区域温度急剧上升，部分母材熔化成熔池，随着热载荷个数的增加，温度场逐渐稳定，通常认为焊缝区域温度高于材料熔点的区域视为熔池。
焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的循环过程,随着焊接的进行,整个焊接的温度随时间和空间急剧变化,材料的热物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的热流能量交互现象。焊接过程可以看做一个非线性瞬态传热过程，其待焊接区域各网格的热流能量交互C(x,y,z)如下式所示:
；
式中:为待焊接材料的密度，/>为待焊接材料的比热，/>为待焊接材料的导热系数，/>为(x,y,z)网格处的热载荷的叠加的平均热流密度。
步骤S4、通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置。
通过网格模式计算的变形结果焊接方向的残余应力。
纵向收缩力F可采用下式计算，即：
；
式中，E为弹性模量，为网格模式计算得到的中截面上焊接方向的塑性应变。
待预测材料的焊接方向的残余应力为：
；
式中：为待预测的焊接区域，A(x,y,z)为待预测的焊接区域中单位网格体积，hf为待预测材料的厚度；Bf待预测材料上热弹塑性计算得到的塑性应变分布宽度；Q(x,y,z)为位置(x,y,z)处的热载荷的热流密度，/>焊接区域中热载荷输入热流的总和，C(x,y,z)为待焊接材料表面各网格的热流能量交互。
通过多次调节多个热载荷的施加位置(x,y,z)，改变焊接区域中热载荷输入热流的总和，根据上述公式计算的多次调节后的残余应力大小，选择残余应力最小的一次调节位置，从而得到最优的多个热载荷的施加位置。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；
S2、在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料各网格处的热流密度函数和热流能量；
计算风电塔筒施加单一热载荷的热流密度函数为：
；
式中，H为焓值,U为热流能量扩散速度,Q(x,y,z)为单一热载荷的在位置(x,y,z)处的热流密度,K为导热系数，T为位置(x,y,z)处的温度；
位置(x,y,z)处的热流能量为：
；
式中，L为材料对热流能量的吸收系数,rb为焊接热载荷辐射最大半径；
S3、在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；
多个热载荷在网格(x,y,z)处引起的叠加热流密度计算公式如下：
；
式中，Tm(x,y,z)为第m个热载荷在（x,y,z）网格处施加的温度；T1为（x,y,z）网格处的初始温度；为第m个热载荷的热流能量；Cp为空气比热容；/>为空气密度；M为热载荷个数；
待焊接区域内在（x,y,z）网格处的热流能量交互C(x,y,z)如下式所示:
；
式中:为待焊接材料的密度，/>为待焊接材料的比热，/>为待焊接材料的导热系数，/>为(x,y,z)网格处的热载荷的叠加热流密度；
S4、通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置；
待预测材料的焊接方向的残余应力为：
；
式中：为待预测的焊接区域，A(x,y,z)为待预测的焊接区域中单位网格体积，hf为待预测材料的厚度；Bf待预测材料上热弹塑性计算得到的塑性应变分布宽度；Q(x,y,z)为位置(x,y,z)处的热载荷的热流密度，/>焊接区域中热载荷输入热流的总和，C(x,y,z)为待焊接材料表面各网格的热流能量交互。
2.根据权利要求1所述的风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，边界条件为：
；
式中，n为表面法线方向,为待预测的焊接区域,/>为待焊接材料表面,hc为待焊接材料表面换热系数,/>为环境温度，T为材料温度,I(x,y)为热流能量在材料表面的分布函数，K为导热系数。
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