P92钢焊接温度场及应力场的数值模拟

论文摘要

我国电力工业目前正面临着巨大的挑战,电力紧缺现象随着经济发展越来越明显。火力发电是我国电力工业发展的重点,它的发电量占我国发电总量的80%以上。高温高强度的钢材是提高火电机组热效率的有效途径,能够保证机组在较高温度与压力下稳定运行。本课题以超超临界电站用钢P92钢为对象,采用物理试验和ANSYS有限元模拟的手段,对P92钢焊接的温度场进行了计算和分析,采用间接法用温度场计算的结果计算残余应力场。本文在理论的基础上,利用红外热像仪对P92钢的焊接过程进行了温度场实测,得出了相应的焊接温度曲线,并以该结果作为后续温度场模拟准确与否的比较对象和评判标准。在总结前人的工作基础上系统地阐述了焊接过程的有限元分析理论,并针对P92钢管状接头建立ANSYS有限元模型,利用ANSYS的生死单元技术和函数及数组功能实现了对焊接过程金属熔敷和热源移动的模拟。通过后处理功能得出相应的焊接温度曲线。经与红外热像仪得出的曲线对比,吻合良好,表明温度场模拟结果正确,可以作为下一步应力场计算的基础。在热弹塑性理论基础上,通过热单元向结构单元的转换,利用间接法,对焊接残余应力进行计算。通过结果分析比较了焊后热处理前后的应力变化情况,验证了焊后热处理对于消除残余应力的作用,并指出了接头表面残余应力集中的位置。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题产生的背景
• 1.2 P92 钢的性能
• 1.3 焊接的数值模拟简述
• 1.3.1 焊接温度场的数值模拟研究概况
• 1.3.2 焊接应力场的数值模拟研究概况
• 1.4 目前的研究方向、热点及未来发展趋势
• 1.5 本课题研究的意义及内容
• 第二章 P92 钢焊接温度曲线的实验测定
• 2.1 实验仪器简介
• 2.2 P92 钢发射率的标定
• 2.3 主要焊接工艺
• 2.3.1 焊接接头形式及坡口设计
• 2.3.2 焊接主要工艺参数
• 2.4 焊接过程温度场的测定
• 2.5 结果讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 有限元法及ANSYS模型的建立
• 3.1 有限元法概述
• 3.2 焊接过程有限元分析的特点
• 3.3 焊接有限元模型的简化
• 3.4 ANSYS有限元分析软件在焊接模拟分析中的应用
• 3.5 建模
• 3.5.1 定义单元类型
• 3.5.2 定义材料特征参数
• 3.5.3 建立几何模型
• 3.5.4 网格划分
• 3.6 生死单元
• 3.7 本章小结
• 第四章 焊接温度场的计算
• 4.1 焊接温度场有限元分析的理论基础
• 4.1.1 热传导基本方程
• 4.1.2 空间域中的单元剖分和温度场离散
• 4.1.3 时间域的离散
• 4.2 确定热源模型
• 4.2.1 热源模型的种类及选择
• 4.2.2 热源移动的实现
• 4.3 边界条件与初始条件的施加
• 4.4 其他求解设置
• 4.4.1 时间步长的确定
• 4.4.2 结果输出控制
• 4.5 结果分析
• 4.5.1 温度场分布云图
• 4.5.2 焊接温度曲线
• 4.6 本章小结
• 第五章 焊接应力场的计算
• 5.1 热弹塑性理论
• 5.2 热弹塑性有限元法
• 5.2.1 应力应变关系
• 5.2.2 平衡方程
• 5.3 焊接应力场的计算方法
• 5.4 求解应力场需注意的问题
• 5.4.1 非线性问题
• 5.4.2 载荷步的设置
• 5.4.3 定义边界条件
• 5.5 焊接应力场结果分析
• 5.5.1 整体应力场分布云图
• 5.5.2 路径应力值分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢