低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭焊接應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律研究.pdf

1、管道結(jié)構(gòu)在化工、石油等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要部門(mén)中應(yīng)用廣泛，其焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和變形會(huì)影響構(gòu)件的使用壽命。因此，開(kāi)展管道環(huán)焊縫接頭焊接應(yīng)力變形規(guī)律研究，討論材料性能、預(yù)變形、預(yù)應(yīng)力、熱處理工藝等對(duì)應(yīng)力變形的影響，比較不同模型下的計(jì)算結(jié)果，為控制、調(diào)整和減少焊接殘余應(yīng)力與變形提供理論依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以熱—彈塑性理論為基礎(chǔ)，以ANSYS通用有限元計(jì)算軟件為平臺(tái)，建立了低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭溫度場(chǎng)和應(yīng)力

2、應(yīng)變場(chǎng)的板單元模型、殼單元模型及三維實(shí)體單元模型，討論了各參數(shù)對(duì)焊接應(yīng)力變形的影響規(guī)律。采用盲孔法實(shí)測(cè)管道環(huán)焊縫接頭的殘余應(yīng)力并與有限元計(jì)算值進(jìn)行比較和驗(yàn)證。本研究的主要工作和結(jié)論有以下幾個(gè)方面：
　　建立低合金鋼管道環(huán)焊縫接頭焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)二維板單元軸對(duì)稱(chēng)模型并得到了焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)以及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布。優(yōu)化了有限元模型中的網(wǎng)格密度、焊縫模型、熱源模型等參數(shù)，得到熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)對(duì)焊接變形的影響趨勢(shì)。

3、　　建立焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)殼單元模型，得到焊接殘余應(yīng)力與變形的分布。其中軸向應(yīng)力的分布與焊縫周?chē)附訌较蚴湛s產(chǎn)生的“附加彎曲應(yīng)力”有關(guān)。詳細(xì)分析了焊前反變形、預(yù)應(yīng)力、焊前熱處理工藝對(duì)焊接應(yīng)力與變形的影響，驗(yàn)證了上述工藝降低焊縫及近縫區(qū)焊接變形的可行性。
　　建立了管道環(huán)焊縫接頭焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)三維移動(dòng)熱源有限元分析模型，通過(guò)施加生死單元實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程中的“熔敷”現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果可以看出：在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了明顯的“內(nèi)凹

4、”徑向變形，而在接頭兩端產(chǎn)生了軸向收縮；管道內(nèi)表面周向殘余應(yīng)力較大，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且隨著遠(yuǎn)離焊縫距離的增加過(guò)渡為壓應(yīng)力。管道內(nèi)表面焊縫及其附近區(qū)域軸向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力，而外表面則為壓應(yīng)力。
　　板單元與殼單元模型計(jì)算能對(duì)三維實(shí)體單元模型計(jì)算起到一定的借鑒作用。但是板單元無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)，而殼單元無(wú)法實(shí)現(xiàn)多層焊各層之間的關(guān)系。因此，對(duì)于大直徑或者是管道較薄等結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析時(shí)，為了保證計(jì)算精度，應(yīng)盡量使用三維實(shí)體