厚板带极堆焊有限元模拟

论文摘要

随着石油化学工业的发展,其设备趋于高参数、大型化。对于高温、高压、有腐蚀介质条件下的加氢设备,其内壁的大面积堆焊多采用带极堆焊。本文首先基于带极埋弧堆焊原理建立了有限元热源模型,基于有限元软件MSC.MARC平台,编写FORTRAN子程序来实现移动热源的加载,通过对计算采用接触传热的方法处理厚板底部传热边界,并考虑了材料物理参数随温度的变化、对流和辐射传热及相变潜热,建立温度场计算模型。与实测对比,计算结果与实测值吻合较好,验证了模型的正确性。基于带极电渣堆焊的原理及焊接过程,并参考电渣熔铸过程,,采用生死单元方法实现熔敷金属填充热,并考虑了材料物理参数随温度的变化、对流和辐射传热及相变潜热,建立温度场计算模型。与实测对比,计算结果与实测值吻合良好,表明所采用的模型是正确的。建立了带极电渣堆焊应力应变场数学模型,采用温度场和应力场耦合分析,着重计算分析其焊接过程中的应力应变演变情况,以及残余应力和残余应变的分布规律。针对带极堆焊材料尺寸大,有限元模型网格数量巨大,计算速度慢,周期长的特点,通过对实际过程的分析,采用单元死活的方法,根据焊接顺序,逐步激活网格单元。同时,建立基于局域网的分布式计算平台,采用3台计算机进行并行计算,提高计算速度,节省了大量的计算时间。根据研究结果表明,推导的带极埋弧堆焊热源模型,可适用于带极埋弧堆焊的有限元模拟。对带极电渣堆焊采用的熔融金属填充方式实现的温度场模拟也得到了较好的结果。成功解决了焊剂及熔渣对堆焊过程中传热的影响。在带极电渣堆焊焊后的残余应力分布中,焊缝区为拉应力,周围为压应力区,距离焊缝较远处,其应力值为零。在近缝区存在最大拉应力,其值为434MPa。离焊趾10mm处区域存在最大压应力。起弧和收弧处存在较大的拉应力。在焊缝边缘和内部,存在三个残余应力高峰区域。堆焊过程中板材出现上凸现象,而在焊后冷却过程中,这种上凸逐渐变为下凹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 堆焊技术的发展及应用现状
• 1.2.1 我国堆焊技术的发展概况
• 1.2.2 堆焊技术的应用现状
• 1.3 带极堆焊的研究现状
• 1.4 焊接数值模拟的概述
• 1.4.1 焊接热分析的研究进展
• 1.4.2 焊接热源模型的研究进展
• 1.4.3 热源模型的选择原则
• 1.4.4 单元死活技术
• 1.4.5 焊接过程力学行为模拟
• 1.4.6 目前研究的焦点和方向
• 1.4.7 堆焊有限元研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 第二章 带极堆焊有限元模型建立
• 2.1 模型的建立与简化
• 2.1.1 热物理性能参数
• 2.1.2 计算单位的统一
• 2.1.3 有限元网格划分
• 2.2 熔化潜热处理
• 2.3 本章小结
• 第三章 带极埋弧堆焊热源模型建立及温度场分析
• 3.1 热源模型及边界换热系数
• 3.1.1 带极埋弧堆焊原理
• 3.1.2 初始条件及边界换热系数
• 3.1.3 热源模型推导
• 3.2 结果验证及温度场分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 带极电渣堆焊温度场研究
• 4.1 模型的建立
• 4.2 热源模型及边界换热系数的确定
• 4.2.1 带极电渣堆焊原理
• 4.2.2 焊接热源及边界条件
• 4.3 结果验证及温度场分析
• 4.3.1 改进后模型计算
• 4.3.2 温度场分析
• 4.4 基于局域网的并行计算
• 4.4.1 并行计算的软硬件环境
• 4.4.2 网络结构
• 4.4.3 计算区域划分
• 4.4.4 并行计算效果
• 4.4.5 并行计算性能测试
• 4.5 本章小结
• 第五章 带极电渣堆焊应力应变场有限元模拟
• 5.1 焊接热弹塑性有限元分析方法
• 5.2 应力应变场数学模型的建立
• 5.2.1 边界条件和初始条件
• 5.2.2 材料的力学性能参数
• 5.3 应力应变场计算
• 5.3.1 焊接过程应力应变变化特征
• 5.3.2 焊接残余应力
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢