有限元的焊接残余应力预测在304环焊上,重点管 应力焊缝附近开始分发结束位置

有限元的焊接残余应力预测在304环焊上，重点管应力焊缝附近开始分发/结束位置院长邓一，，，和川昭一Kiyoshimab一大学材料科学与工程重庆，街沙正街174号重庆市沙坪坝400045，中国b计算力学公司研究中心，Togoshi的NI-大厦1-7-1Togoshi，品川区，东京142-0041，日本收到2010年7月2日;经修订的2010年8月31日;接受2010年9月23日。可在线2010年10月16号。摘要一个有限元法的基础上快速焊机软件开发，模拟焊接温度场和焊接残余应力在3D多通道分布围焊接管道模型。的特点焊接残余应力通过与钨极惰性气体中加热致304不锈钢管分布弧焊接火炬数值进行调查。与此同时，在强调的重点是在研究焊接残余应力分布在焊缝及附近开始/结束位置。此外，残余应力从目前的计算方法进行了比较预测与实测数据和比较表明，数值模拟方法，基本上抓住了特点焊接残余应力分布在焊缝附近开始/结束的地区。数值模拟结果表明，无论是环和轴向残余应力靠近焊缝的开始/结束地区有敏锐的梯度，并在显着稳定的范围有所不同。关键词：有限元分析;数值模拟;多通焊接残余应力文章概要1。简介2。对实验过程的简要说明3。有限元分析3.1。热分析3.2。力学分析4。热分析结果5。力学分析结果5.1。特性的残余应力分布的环管焊5.2。比较模拟结果和实测数据5.3。焊接残余应力发生变化，焊道6。结论致谢参考文献1。简介残余应力在钢结构制作过程中产生的热，如焊接往往达到甚至超过了在室温下的屈服强度。拉伸残余应力是一个主要的因素导致应力腐蚀开裂，疲劳破坏和脆性断裂。当经济增长的缺陷，如表面的危险在核电厂管路系统开裂的评估结果显示，焊接残余应力也许让一个大的贡献，总应力场。因此，这是非常重要的，以获取准确的信息焊接残余应力分布在一个焊接接头。一般来说，有两种方法确定焊接残余应力。一个是实验方法，另一种是数值模拟技术。受限于身体状况，通常采用实验的方法得到焊接残余应力在小规模的焊件[1]。随着软件开发的电脑硬件和，数值仿真技术已越来越多地被用来预测焊接残余应力在各种焊接接头[2]，[3]和[4]。在过去的十年里，许多数值模型来模拟焊接残余应力在各种焊接接头。在这些模型中，多个型号研究焊接残余应力中环焊接热弹塑性通过使用有限元法管接头。不过，他们大多只调查焊接残余应力在三维模型的稳定区域的一环焊管用轴对称二维模型或[5]，[6]，[7]和[8]。邓小平与村川[9]研究焊接残余应力在6毫米采用三维有限元模型厚度304管，但是，他们之间的摊开在仿真结果和实测数据进行比较重视，作者没有审查焊接残余应力分布靠近焊缝的开始/结束，详细的位置。最近，李和昌[10]模拟焊接残余应力考虑到在一个三维效果管道模型分布，但它们只提供了非常有限的信息残余应力分布在焊缝附近启动/停止的位置。在实际管道焊缝有每个焊道，它总是导致不连续的起点和终点应力国家接近这个位置。有一种倾向，在火山口的形成过程中开裂焊接[11]。此外，通常疲劳断裂开始启动从表面焊接，特别是在/在服务站的位置[11]。因此，有必要获取准确残余应力分布在焊缝及附近开始/结束的地区。在这项工作中，有限元方法软件的基础上快速焊机[12]开发模拟焊接残余应力在3D304多道围焊接管道模型。在发达的办法，移动热源模型来模拟热输入，温度相关热物理和机械性能考虑。在这项研究中，强调的重点是研究的特点焊接残余应力分布在焊缝及附近开始/结束的地区。模拟结果与实测数据进行了对比，从现有文献引用[13]，该模型的有效性的数值已经被验证。2。对实验过程的简要说明为了帮助读者了解程序比较电流之间的模拟研究获得的结果和实测数据，实验一简要描述的是在本节规定。应该指出，实验进行）由日本动力工程及检验总公司（JAPEIC[13]。两个模型（模拟式A和模拟式B）的生产测量焊接残余应力焊缝及附近开始/结束位置焊管周长-。管）的材料，这两个模型（是奥氏体不锈钢SUS304。的尺寸，形状的凹槽和焊缝都显示在图。1。作为一个基础研究的复杂性所造成的填充金属测量残余应力避免了当实验的设计。钨极惰性气体（TIG焊）电弧焊接实验中使用了，但TIG焊枪和无填料只加热金属的凹槽表面。为了探讨如何焊接残余应力与焊缝的改变，只通过一中进行模拟设立的，而通过一，通过2和3的顺序通过在模拟式二加热模拟式乙，跨通温度高于50°低三该焊接通过每个方向中显示图。2。在同一图中，圆心角（θ）也定义。作为后续显示在此图中，焊接开始模拟/结束位置为0°的一个位置。在模拟式乙，焊缝开始/结束的第一和第三焊缝为0°的位置，同时传递第二焊缝是180°的位置。在焊接，焊接电流，电弧电压和焊接速度为132A条，10伏和90毫米/分钟，分别为。当火炬到达到最后焊接焊接模式改变为火山口治疗模式，以及火炬停止与减少3秒焊接电流。该焊接电流和焊接速度的示意图显示图。3。全尺寸图片（1.2万）图。1。尺寸焊接管，槽，焊缝形状。全尺寸图片（29,000）图。2。焊接开始/结束位置，焊接每次传递方向。全尺寸图片（1.3万）图。3。焊接当前和焊接速度实物模型使用。后焊接，中子衍射方法是用来衡量焊接残余应力焊缝附近开始/起坐结束地区的两间模拟。测量的位置是直属表面中心的第二遍与深度从2.5毫米。灰色的点的位置示意图显示在测量图。4。在此图中，-20°和-10°至340°，对应350°（圆心角），分别为。全尺寸图片（20,000）图。4。测量地点焊接残余应力。3。有限元分析在本条中，计算方法的基础上快速焊机软件开发，模拟温度场和残余应力钨极惰性气体诱发的分布（TIG焊）电弧焊接在304管道。有限元模型，显示在图。5。在整个管道长度为500毫米;内径为255毫米;与墙体厚度为25毫米。沟槽形状显示在图。6。考虑到大约形状氩弧焊的渗透所致焊接火炬传递的三个加热区的横截面中也定义在图。6。应该强调的是，模拟结果模型预测的有限元与实测数据进行比较参考引用了。[13]，因此数值模型槽形状的一样，即相应的实体模型。全尺寸图片（38K）图。5。三维有限元模型。全尺寸图片（足金）图。6。坡口形状，焊缝和部分用有限元模型。为了合理地模拟了温度场和残余应力采用TIG诱导分布焊接过程中，细网格设计在焊缝区及其附近。为了平衡精度预测和计算时间，方向数师在60周是在显示图。5。在有限元模型中，节点数目是二万零四十，并认为元素是23,400。在这项研究中，热机械行为是因为模拟使用过程中的尺寸变化制订的整个顺序耦合焊接过程是微不足道的，机械的工作相比是微不足道的，从电弧热能。热传导问题就解决了独立于应力应变问题，获得温度的历史。但是，需要制定的瞬态温度场的力学分析的贡献，通过热膨胀系数，以及诸如弹性模量，屈服强度和泊松比随温度变化的特性考虑。该解决方案的过程包括两个步骤。在第一步，所有节点在有限元模型计算温度的历史根据给定的焊接条件和热边界条件。在第二个步骤，温度在第一步骤中获得的历史是作为在力学分析的热负荷。3.1。热分析在这项工作中，只有火炬是用来加热管的304并没有被添加到填充金属凹槽表面。焊接热传分析与定焊接条件是履行了三维有限元模型。在这一步，在所有节点计算的历史过程中的温度多通焊接过程。在这一过程中焊接，对于瞬态非线性热传导分析方程为：（1）其中λ，T，q我，ρ和ç是热导率，温度，分别率内部产生的热量，密度和比热容量。对于氩弧焊焊接过程中，由于移动热输入弧往往是通过表面模拟热源模型，如典型的高斯热源[14]。当一个高斯热源选择，网格划分相应的罚款，特别是在圆周方向是必需的。为了减少元件数量和节省了计算时间，移动热源被视为体积热通量密度均匀，而不是在目前的分析高斯面热源。在目前的有限元模型，每个焊道被划分成一小部分与相同长度（目块）编号，每块网格顺序加热到模拟运动焊接火炬。源卷的移动热源等于块，这些元素组成的网状一个相应的焊缝英寸源图像中显示的热图。7。全尺寸图片（52K章2000年）图。7。热源中定义的有限元模型。在每次焊缝和焊接条件定义，对热源和热通量量会自动在有限元模型计算。在有限元模型，焊接方向，焊接序列和焊接速度是注册同模拟那些用于[13]。每个焊道体积热通量则采用下列公式：（2）q我=η的UI/Vħ其中ü是电弧电压，我是焊接目前，Vħ是源量热，η是弧形的效率。弧段效率值假设为0.7氩弧焊焊接过程。由于方向数周在60师，加热时间（吨ħ块）的每个网格的计算方法如下：（3）吨ħ=L/（60v瓦特），其中L是焊道总长度每个，v瓦特是焊接每一个焊接速度通过。在此模拟中，电弧电压，电流和焊接速度是相同的实验中使用的。除了考虑移动热源，热造成的损失和辐射公约还考虑在有限元模型。在热分析，模型的所有表面元素的有限假设失去空气热量向周围公约。对流热损失（qç）是考虑到使用牛顿定律：（4）qç=-ħç（Ts-T0）在ħç是传热系数;Ts是焊件表面温度;及T0是环境温度。假定环境温度为18°C的在目前的模拟，传热系数（ħç）被设置为一个15×10-6瓦/（毫米2℃）[14]。此外，由于辐射热损失是仿照使用斯特凡-波兹曼定律：（5）qř=-εσ[（Ts273）4-（TØ273）4]其中ε是发射率，和σ是Stefan-Boltzmann常数[15]。在本研究中，发射率（ε）被假定为0.8[14]。无论是热效应，由于凝固焊缝区和对熔池流体流动的影响焊接残余应力是微不足道的，因此这两个都在热分析忽略的因素。考虑在每个焊接端陨石坑治疗，热输入在这个位置使用的假定为在休息的范围内使用的两倍。间通温度严格控制在50°C下低的多通焊接过程中，通过设置（30分钟）两个传递一个适当的时间间隔。比热容量和密度随温度变化的热性能，如热导率，均采用了有限元模型。温度有关的热物理性能研究中采用SUS304使用本进行了测试实验[9]中所示图。8。全尺寸图片（36K）图。8。变温的热物理性质的304。3.2。力学分析在力学分析，有限元网格相同的热分析方法是就业。仿真是进行使用，作为信息的输入热分析计算出的温度记录。一般而言，在焊接过程中，除了弹性，塑性和热菌株，菌株由于固态相变和蠕变可能给一些捐款，总应变。由于304不锈钢具有加热时间较短没有固态相变冷却过程中，可以预计，由于相变应变和蠕变可以模拟忽视的存在。总应变增量{ð在一个物质点}可以表示为的弹性，塑性和热应变的总和。（6）{ðε}={ðεé}+{ðεp}+{ðε日}，其中{ðé}，{Ðp}和{ð日}是弹性应变，塑性和热应变增量分别。在机械模拟，弹性行为是仿照使用各向同性胡克与温度相关的杨氏模量的规则。热应变是考虑使用热膨胀系数。为塑料的行为，一率无关塑性模型是就业。屈服准则是冯米塞斯屈服面。在本模型中，应变硬化考虑采用线性各向同性硬化规律。同时，退火效果也包含在数值模型。当物质点（元素集成在一个点）温度低于退火温度的物质将失去其硬化内存高。在有限元模型，事先加工硬化影响后，通过设置等效塑性应变（）为零。退火温度被假定为800°C的不锈钢304[14]。如果点温度低于材料的温度退火后在某个时间点，材料硬化点可以工作了。类似的热分析，温度相关力学性能力学模型中使用。图。9显示了杨氏模量，屈服强度，泊松比和热膨胀系数的，功能304会随着温度图。10显示了在不同温度系数的应变硬化[9]。全尺寸图片（40K的）图。9。采用SUS304温度依赖的机械性能。全尺寸图片（29,000）图。10。采用SUS304应变硬化系数在不同的温度。机械边界条件的约束，以防止与只考虑对称刚体运动。对C的箭头指向的A-图。5显示了约束条件。这三个点定位在Ÿ-ž飞机。进行的模拟在个人计算机上用3.2GHzCPU和4.0GB的内存。总的计算时间在热机械分析所用的约100小时4。热分析结果移动热源温度场致显示在图。11。从这个图中，熔池温度图像，最大可以看出。在三个点定义在热循环图。12时整焊接过程显示在图。13。由于第二个焊道位置开始，在180°，我们可以看到，每个热循环有两个峰值温度和熔融点A在第二次焊接。全尺寸图片（1.2万）图。11。由于温度