厚壁压力容器焊接残余应力及变形的数值研究

论文摘要

本文以高温气冷堆厚壁核压力容器上大开口接管处马鞍型焊缝的残余应力及变形为出发点,通过有限元数值分析,采用“生死单元法”模拟了在多层多道焊工艺条件下的焊接接头的残余应力及变形,以期为厚壁核压力容器焊接制造过程中残余应力的消除和变形控制提供指导。首先,本文采用数值计算的方法,对同种坡口形式的焊接接头进行了不同焊接工艺参数的残余应力及变形的分析研究。计算结果表明,把焊缝中心的温度分别升至1300℃、1400℃和1460℃,焊接完成之后,不论是哪个方向的应力,均集中在焊缝区域且应力随着远离焊缝中心逐渐减小,焊缝处虽有个别节点应力超过材料的屈服极限,但对整体的焊接结构影响不大；而三种工艺参数的焊后变形最大值均位于大接管左侧的焊缝处,沿左侧焊缝向容器底部方向变形逐渐减小,在接近容器底部变形又开始增大。通过对比,1300℃焊后的应力和变形值均小于其它两种焊接工艺参数。其次,在焊接制造过程中,由于坡口形式及尺寸对焊后的残余应力及变形影响很大。本文在同种焊接工艺参数下,对三种不同坡口形式的焊接接头进行了焊接数值模拟。计算结果表明,30mm和38mm两种不同宽度的Ⅰ型坡口,在焊后30mm宽的残余应力相对较小,变形相对较大；30mm宽的Ⅰ型坡口和双U型坡口,在焊后双U型坡口的残余应力相对较小,变形相对较大。同时为了分析焊接道数和边界约束对焊接残余应力及变形的影响,对30mm宽的Ⅰ型坡口和双U型坡口进行了不同焊道数和自由变形的模拟计算,结果表明增加焊接道数和不加边界约束对残余应力的影响不大,但使得变形相对增大。最后,为了保证焊接结构的安全可靠,本文用高温热处理法对焊接残余应力进行了消除,对计算结果进行综合对比,610℃×3h热处理后的应力与变形相对最低。因此在所选的工艺中,热处理3小时较为合理。同样为了防止焊接变形对加工制造、装配等产生不利影响,结合本文变形的有限元模拟结果,建议采用反变形法进行控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 焊接结构残余应力及变形的研究现状
• 1.2.1 焊接温度场的研究现状
• 1.2.2 焊接残余应力的研究现状
• 1.2.3 焊接变形的研究现状
• 1.3 数值方法概述和有限元模拟软件简介
• 1.3.1 数值方法概述
• 1.3.2 有限元分析软件简介
• 1.4 现有研究存在的问题
• 1.5 本文的研究内容及技术路线
• 2 焊接过程的有限元分析理论
• 2.1 焊接过程的有限元分析特点
• 2.2 焊接有限元模型的简化
• 2.3 焊接温度场的分析理论
• 2.3.1 焊接传热的基本形式
• 2.3.2 焊接温度场的有限元基本方程
• 2.3.3 焊接热源模型
• 2.4 焊接应力和变形的分析理论
• 2.4.1 屈服准则
• 2.4.2 流动准则
• 2.4.3 强化准则
• 2.4.4 焊接热弹塑性理论
• 2.5 本章小结
• 3 核压力容器焊接残余应力的数值计算过程
• 3.1 研究对象
• 3.1.1 研究模型
• 3.1.2 试验材料
• 3.1.3 焊接工艺
• 3.2 有限元计算模型的建立
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 材料性能参数的确定
• 3.2.3 单元类型的选择及网格的划分
• 3.3 焊接热源载荷施加及计算
• 3.3.1 热源的选取
• 3.3.2 加载边界条件
• 3.3.3 载荷步的设定
• 3.3.4 求解
• 3.4 本章小结
• 4 焊接工艺参数对残余应力及变形的影响研究
• 4.1 焊接温度场的计算结果与分析
• 4.2 焊接残余应力场的计算结果与分析
• 4.2.1 1300℃焊后残余应力的计算结果分析
• 4.2.2 1400℃焊后残余应力的计算结果分析
• 4.2.3 1460℃焊后残余应力的计算结果分析
• 4.2.4 不同焊接工艺参数下的残余应力对比分析
• 4.3 焊接变形的计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 坡口形式对焊接残余应力及变形的影响研究
• 5.1 不同坡口形式的焊接残余应力计算结果与分析
• 5.1.1 30mm宽Ⅰ型坡口焊接残余应力的结果分析
• 5.1.2 38mm宽Ⅰ型坡口焊接残余应力的结果分析
• 5.1.3 不同坡口形式的焊接残余应力的对比分析
• 5.2 不同坡口形式的焊接变形的计算结果与分析
• 5.3 焊接道数的对焊接残余应力及变形的影响
• 5.4 拘束对焊接残余应力及变形的影响
• 5.5 本章小结
• 6 焊后热处理工艺对焊接残余应力与变形的影响研究
• 6.1 不同热处理后的残余应力计算结果与分析
• 6.1.1 610℃×1h热处理后的应力计算结果与分析
• 6.1.2 610℃×2h热处理后的应力计算结果与分析
• 6.1.3 610℃×3h热处理后的应力计算结果与分析
• 6.1.4 610℃×4h热处理后的应力计算结果与分析
• 6.1.5 610℃×5h热处理后的应力计算结果与分析
• 6.1.6 不同热处理工艺后的残余应力对比分析
• 6.2 不同热处理后变形的计算结果与分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在校期间发表的论文