解析ss304 半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟

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1、第!’卷第&"期焊接学报EFG7!’2F7&"!""#年&"月10)2-)>1@/2-/.1AB>A@2)CBD=@24@2-1@1,1@/2/HIFJKL!""#!!"#$半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟蒋文春，巩建鸣，陈虎，涂善东（南京工业大学机械与动力工程学院，南京!&"""(）摘要：半圆管夹套设备最常见的问题是夹套焊接部位开裂引起泄漏，焊接残余应力是重要的影响因素之一。利用有限元软件)*)+,-，开发了一个多次顺次耦合焊接残余应力有限元计算程序，并利用./010)2语言编写移动高斯热源的分布子程序，对%"3不锈钢半管夹套焊接部位残余应力

2、进行数值模拟，得到半管夹套1形接头焊接残余应力分布规律。计算结果表明，在1形接头附近，应力水平较高，易诱使焊缝开裂失效。并对半管夹套的焊接制造提出建议，为优化半管夹套焊接工艺、控制焊接残余应力提供理论依据，对提高半管夹套设备的可靠性和安全性具有重要意义。关键词：半管夹套；焊接残余应力；有限元；多次顺次耦合；软件蒋文春中图分类号：143"3文献标识码：)文章编号："!5%$%#"6（!""#）&"$"’’$"3"序言圆度很小，建模时可将筒体近似为平板来进行计算。由于1形接头附近是最值得关注的区域，因此在1半管设备作为一种加热冷却设备，与普通夹套形接头附

3、近网格划分较密，在远离1形接头的区域容器相比，具有筒体受力好、传热效率高、节能及节比较稀疏。几何模型及网格划分如图&所示，共约钢材用量等优点，被广泛运用在化工、医药等行5(##个节点，3#33个单元。温度场计算采用业。目前，此类设备存在的普遍问题是半管与筒体=>%=?单元，应力场计算采用>%=?单元。焊接部位出现开裂，引起泄漏。对于半管夹套设备，半管与筒体之间存在环角焊缝，半管之间存在对接焊缝，角焊缝与对接焊缝交接处存在1形接头。这些区域的焊接残余应力状态复杂，容易出现缺陷，成为最薄弱环节，需要引起足够的重视。目前，对于半管夹套结构焊接部位残余应力的

4、有限元分析，尚无相关文献可查。利用大型有限元［&］软件)*)+,-，对半管夹套1形接头残余应力进行了三维有限元分析，得到1形接头焊接残余应力图%半管夹套’形接头几何模型及网格划分分布规律。()*&%+,-.,/0)1.-2,3452.,67)5*-874389:):,’9;-)5/&半管夹套1形接头有限元模型%&<多次顺次耦合焊接残余应力计算分析思路利用有限元分析软件)*)+,-，开发了一个多%&%几何模型及网格划分次顺次耦合的计算程序来模拟焊接残余应力。所谓某半管夹套发酵罐，设计压力"7%89:，筒体内顺次耦合，即焊接温度场对残余应力的影响很大，而

5、径!!"";;，设计温度&5"<，筒体壁厚&3;;，半应力场对温度场的影响很小。首先进行热分析，将管内径53;;，壁厚#;;，半管坡口为内坡口。半各节点温度场的计算结果输出到结果文件作为力分管、筒体均为薄壁结构，相对一个半管而言，筒体的析的预定义场，在力分析过程中从此预定义场中读取各节点的温度，进行插值计算。热分析和力分析收稿日期：!""#$"%$&’基金项目：国家留学回国人员科技活动择优资助项目（!""!"(）使用相同的单元和节点。UW焊接学报第"U卷模型比较复杂，不仅具有半管对接焊缝，还包括热为0341567869，固相线40::;，液相线425

6、2两条角焊缝，且在对接焊缝与角焊缝交汇处形成!;。常温屈服强度"52<=>，抗拉强度":?<=>。形接头。因此，共需进行三次耦合计算。先进行对;&?焊接工艺参数接焊温度场计算，然后进行对接焊应力场耦合计算；对接焊缝与角焊缝的焊接顺序对残余应力有着再计算半管与筒体焊接的温度场，然后进行应力场非常重要的影响。如果先焊角焊缝，那么半管焊后的耦合计算，同时将对接焊缝的应力场耦合进去，最将没有收缩余地，在对接焊缝间将留下较大的装配终得到!形接头焊接残余应力。多次顺次耦合计算应力，这一装配应力一般表现为拉伸应力，极易造成程序如图"所示。焊接裂纹，降低焊缝的抗拉强

7、度。因此，需先焊对接焊缝，然后再进行半管与筒体的组焊，这样可降低对接焊缝应力，降低出现焊接裂纹的几率。对接焊缝采用“@”形坡口形式，角焊缝采用内坡口形式，内表面均采用氩气保护。焊接工艺参数如表4所示。表;焊接工艺参数"0@)-;A-)6$/%3050B-*-5电压电流速度焊缝层次!8@"8AC4）图!"形接头残余应力多次顺次耦合计算程序#（8%%·B对接焊缝44"411"E4#$%&!’()*$+,-.(-/*$0)12(3)$/%#410)1()0*$2/?1D坡口"424"1"F03521-6(5-278-)6$/%5-,$6(0),*5-,,7

8、25角焊缝44"441"E090)7+3$3-"+:2$/*25D内坡口"45401"F5在此多次耦合计算程