基于Abaqus汽轮机低压缸端板焊接数值模拟.pdf

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1、第42卷第3期化工机械425基于Abaqus汽轮机低压缸端板焊接数值模拟韦康掌1吕涛2张志莲2肖云峰2(1．北京工业大学机械工程与应用电子技术学院；2．北京石油化工学院机械工程学院)摘要基于Abaqus有限元理论，采用间接热力耦舍的方法对汽轮机低压缸端板进行焊接数值模拟。计算时将焊接热循环曲线作为数值载荷，并运用生死单元技术模拟实际焊接，得到该结构温度场、应力场和焊接变形分布情况，最终测得的工程实际端板几何边界变形量与数值模拟结果吻合良好。该研究为汽轮机焊接和其他大型结构的焊接提出了一种高效的数值模拟方法和技术路线。关键词汽轮机焊接变形有限元数值模拟中图

2、分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0425-05焊接是极其复杂的过程，焊接过程中的不均匀加热／冷却都将不可避免地造成焊接残余应力和焊接变形¨。-。焊接残余变形影响结构的尺寸和形状，使焊后结构装配不上直接报废或勉强装配降低装配质量卜1。对焊接应力和残余变形的控制相当困难，我国控制焊接变形主要是依靠经验和大量试验，这样不仅缺少理论依据而且耗费大量成本”“1。随着计算机技术的发展，有限元数值模拟计算方法得到极大的推广，该方法可以避免依靠经验的无定量性和依靠试验的大量耗费成本性缺点，从而提高生产效率、减少生产成本。笔者

3、运用专用有限元软件Hypermesh对模型划分高质量网格，通过焊接专用有限元软件Sysweld提取焊缝的热循环曲线，将热循环曲线作为数值模拟的载荷进行加载，通过大型通用有限元软件Abaqus并采用热弹塑性有限元法和生死单元法对汽轮机低压缸端板的焊接变形进行数值模拟计算，得到该结构的焊接残余应力和焊接变形。1模型建立及焊接工艺1．1端板模型建立低压缸端板模型如图1所示，端板由底板和加强板焊接而成，加强板焊接在底板上以增加结构强度。该结构内圈半径尺。为3250mm，外圈半径为R：为7050mm，底板厚25ram，加强板厚25mm。端板结构对称，为减少模拟计算

4、量，取端板结构的1／2进行模拟。端板采用结构化8节点的六面体单元，计算温度场采用DC3D8单元类型，计算热应力采用C3D8R单元类型，端板的单元数为133379，节点数为186656。该结构的有限元网格划分如图2所示。$韦康，男，1988年10月生，硕士研究生。北京市，100124。图1端板几何模型图2有限元网格模型为保证计算的精确度，划分网格时需将焊缝426化工机械2015年周围网格进行细化，远离焊缝位置网格划分较稀疏，如图3所示。图3局部有限元网格1．2热源模型焊接热源模型应根据结构的实际焊接过程进行选择。双椭球(Doubleellipsoid)热源

5、模型(图4)是至今为止被公认最接近的焊接热源模型，且该结构采用CO：气体保护焊的焊接工艺，选用双椭球热源模型可以精确地模拟计算、提高计算效率‘9

6、。图4双椭球热源模型双椭球热源函数表达式如下：前半部分热源分布Q(x,y,z,t)=Qfexp【一(专+等+等)】后半部分热源分布Q(x,y,z,t)=Qrexp[一(专+等+舌)]其中，q，为前段输入的热流密度，．Q，为后段输入的热流密度，其他参数为热源形状参数。1．3焊接工艺该端板结构的材料为ZGl5CrlMoA，该材料为铁素体类低合金热强钢，具有良好的铸造工艺性能和焊接性。焊接工艺采用CO：气体保护焊，焊

7、丝采用H08CrMnSiMo，焊接速度mm／／$，电压30V，电流280A，热输入效率70％，焊接前进行预热处理，预热温度为1500C。端板实际焊接时，先将槽钢点焊在底板上，保证焊接时加强板与底板位置的相对固定。该结构的焊缝数量较多、分布密集，为减小焊接变形，结合焊接经验，端板焊接时采用对称焊接的方法，焊接顺序如图5所示。该结构均采用平面约束的方法模拟实际焊接中放在地面上的焊接边界条件。图5焊接顺序2热循环曲线与生死单元2．1热循环曲线在焊接过程中，焊件上任一点的温度都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。焊接热循环曲线包含了焊

8、接接头温度变化及冷却相变等重要信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织及应力变形等具有重要意义¨引。为更精确地反映实际焊接时焊缝热量的输入，通过焊接模拟专用有限元软件，模拟汽轮机端板实际焊接过程中焊缝部位的热循环曲线(图6)，在Abaqus计算时采用热循环曲线加载方式进行加载。图6端板焊接热循环曲线2．2生死单元单元生死技术是指在有限元分析过程中，通过参数控制某些单元在一定时间内的生和死。在单元生时，将该单元刚度矩阵和载荷矩阵计算到总体刚度矩阵和载荷矩阵中；单元死时，该单元的刚度矩阵和载荷矩阵被赋予一个小量，相当于不将刚度矩阵和载荷矩阵计算到总体

9、的刚度和载荷第42卷第3期化工机械427矩阵中¨k“o。为了模拟实际的焊接过程和