基于HyperMesh的球閥袖管焊接溫度場分析
0 概述
某抗硫球閥為對焊端結(jié)構(gòu),需要焊接袖管。焊接過程產(chǎn)生的高溫會(huì)造成熱影響區(qū)域,尤其接頭區(qū)域產(chǎn)生變形及殘余應(yīng)力,同時(shí)O型密封圈處的溫度也是焊接生產(chǎn)比較 關(guān)心的問題。因此,為弄清袖管焊接過程中溫度場規(guī)律,給實(shí)際焊接生產(chǎn)提供理論性指導(dǎo),有必要對袖管焊接問題進(jìn)行數(shù)值模擬。
該抗硫球閥在設(shè)計(jì)過程中,考慮到焊接過程中復(fù)雜熱傳導(dǎo)對結(jié)構(gòu)的影響,適當(dāng)增加了袖管長度,降低焊接袖管時(shí)對閥門本體材料及閥門內(nèi)件產(chǎn)生的影響。為了科學(xué)驗(yàn) 證焊縫I和焊縫Ⅱ的熱影響區(qū)域及袖管設(shè)計(jì)長度的合理性,根據(jù)焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過有限元前處理軟件HyperMesh建立有限元模型,利用某求解器計(jì)算抗硫 球閥袖管的焊接溫度場,為定量評價(jià)焊接溫度對閥門及袖管本身的影響提供科學(xué)依據(jù)。
1 問題描述
如圖1為抗硫球閥閥蓋和袖管焊接示意圖,閥蓋與袖管、袖管與袖管通過焊接方式連接起來,如圖中焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ,當(dāng)設(shè)計(jì)的閥蓋進(jìn)出口段與袖管過短,完全在焊接熱影響區(qū)域時(shí),會(huì)影響閥門密封性能以及力學(xué)性能。因此,需要解決以下問題:
1、當(dāng)焊接焊縫Ⅰ時(shí):
A、閥蓋和袖管焊接時(shí),計(jì)算O型圈密封面處的溫度?控制目標(biāo):≤200℃。
B、焊接熱影響區(qū)(溫度≥200℃的區(qū)域),當(dāng)溫度降到200℃時(shí),此位置距離焊縫中心的距離是多少?目標(biāo):計(jì)算焊接熱影響區(qū)域范圍。
2、當(dāng)焊接焊縫Ⅱ時(shí):
焊接熱影響區(qū)(溫度≥200℃的區(qū)域),當(dāng)溫度降到200℃時(shí),此位置距離焊縫中心的距離是多少?目標(biāo):計(jì)算焊接熱影響區(qū)域范圍。
圖1 閥蓋和袖管焊接示意圖
2 焊接溫度場計(jì)算模型
焊接是一個(gè)涉及電弧物理、傳熱介質(zhì)、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程,在傳熱過程中,從局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻,伴隨著金屬熔化和凝固、加熱或冷卻過程 的相變、焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生等。隨著熱源的移動(dòng),整個(gè)焊件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化,材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化,同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛 熱現(xiàn)象。
實(shí)際焊接熱過程異常復(fù)雜,其模擬計(jì)算不可能考慮到所有的實(shí)際焊接條件。由于本計(jì)算旨在考察焊接時(shí)熱傳導(dǎo)對閥蓋及袖管的影響,因此為了計(jì)算保守,同時(shí)控制計(jì)算成本,提高效率,在建模計(jì)算時(shí)做適當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)。
不考慮焊縫內(nèi)部的變化,即對溫度在熔化溫度以上的熔化金屬部分仍然看作固態(tài),所以其熱控制方程采用熱傳導(dǎo)微分方程。
假定材料是各向同性,導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化,不考慮材料的熱物理性能對溫度的依賴性。
根據(jù)實(shí)際焊接工藝以及考慮結(jié)果保守性,使用高斯面熱源模型模擬對工件的加熱作用。
根據(jù)學(xué)者研究結(jié)論和工程經(jīng)驗(yàn),由于在焊接熱源移動(dòng)過程中,熱源位置的溫度場分布形狀基本保持不變,具有一定的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分分析的特征。因此,本計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)熱分析方法。
2.1 熱源模型以及過程模擬
根據(jù)實(shí)際焊接工藝,摒棄復(fù)雜的熱源模型,如半球狀高斯體熱源、雙橢球功率密度分布熱源、高斯柱體熱源、旋轉(zhuǎn)體熱源等模型,而選取高斯面熱源模型,如下式:
式中為換熱系數(shù);為工件溫度;為環(huán)境溫度。
當(dāng)溫度達(dá)到200℃(此溫度下鋼開始喪失彈性)之處距離焊接熱源焊縫軸線的距離,確定焊接熱影響的區(qū)域范圍,焊接袖管采用的焊接工藝參數(shù)按照WPS,電流,電壓,電弧移動(dòng)速度,袖管厚度T=16mm,熱利用有效系數(shù)為。電弧焊的有效功為。
圖2 有限元網(wǎng)格
3 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算模型采用單點(diǎn)高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析,圖3為點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí)整體的溫度場計(jì)算結(jié)果分布云圖,最高溫度區(qū)域均位于焊縫生熱單元處,且溫度隨離焊縫中心 距離的增加而逐漸降低,溫度最高達(dá)1190℃。圖4為閥蓋的溫度場分布云圖,閥蓋最高溫度為630℃,最低溫度為110℃,熱源以圓周方式向周圍擴(kuò)散,圖 中灰色區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)域(超出200℃范圍),O型圈密封面的溫度為144℃,在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。
圖5 點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí)熱影響區(qū)距離示意圖。點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí),熱源以圓周方式向周圍擴(kuò)散,溫度逐漸降低,當(dāng)溫度降到200℃時(shí),閥蓋端距離焊縫的距離為60mm,袖管端距離焊縫的距離為83mm。
圖3 點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí)整體溫度場分布云圖
圖4 點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí)閥蓋的溫度場分布云圖
圖5 點(diǎn)焊焊縫Ⅰ時(shí)熱影響區(qū)距離示意圖
圖6為點(diǎn)焊焊縫Ⅱ時(shí)的溫度場計(jì)算結(jié)果分布云圖,最高溫度區(qū)域均位于焊縫生熱單元處,溫度最高達(dá)1400℃,且溫度隨離焊縫中心距離的增加而逐漸降低,圖中灰色區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)域(超出200℃范圍),袖管兩端距離焊縫的距離為144mm(對稱)。
圖6 點(diǎn)焊焊縫Ⅱ時(shí)閥蓋溫度場分布云圖
4 結(jié)果分析
本計(jì)算采用單點(diǎn)高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬,可以較好地模擬出熱源在不同位置處的溫度場分布,并得出距焊縫不同位置的溫度值。比較實(shí)際焊接和熱處理過程,數(shù)值模擬忽略了部分影響因素,因此模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果會(huì)存在一定的差異,但與實(shí)際焊接溫度場的分布基本一致。
與采用移動(dòng)高斯面體混合熱源模型的非線性瞬態(tài)模擬相比較,在溫度場分布趨勢上是一致的。由于穩(wěn)態(tài)熱模擬,不考慮金屬相變的冷卻過程,因此在焊縫和熱影響區(qū)的軸向溫度值會(huì)更大一些,結(jié)果更保守,這樣對于僅判斷熱影響區(qū)域是合理的。
5 結(jié)論
利用Altair公司的HyperMesh有限元前處理軟件建立焊接溫度場有限元模型,采用單點(diǎn)高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接溫度場的分布基本一致,且結(jié)果保守,可較好的評價(jià)焊接過程對閥門本體及附件產(chǎn)生的影響。
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