基于Ansys的球罐對(duì)接接頭焊接應(yīng)力分析

張錦洲(長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023;武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430081)

球形儲(chǔ)罐 (簡(jiǎn)稱球罐)是一種存儲(chǔ)氣體、液體或液化氣體的壓力容器。與圓筒形儲(chǔ)罐相比,球罐受力均勻,風(fēng)力系數(shù)低,同等體積時(shí)表面積最小,具有壁厚薄、質(zhì)量輕、用材少及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),因而在石油化工領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。球罐結(jié)構(gòu)是一個(gè)大型的復(fù)雜焊接殼體,是一個(gè)以焊接為主要加工手段的系統(tǒng)工程。工業(yè)中應(yīng)用的球罐大多數(shù)用于儲(chǔ)存易燃、易爆和有毒的液體或氣體介質(zhì),其爆炸危險(xiǎn)性大。一旦發(fā)生失效或安全事故,往往具有很強(qiáng)的破壞力,不但球罐本身會(huì)遭到破壞,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,而且容易造成較大的人身傷亡。因此,對(duì)球罐焊縫應(yīng)力進(jìn)行分析具有十分重要的意義。

1 球罐對(duì)接接頭應(yīng)力分析

1)幾何模型 球罐殼體所采用的主要為對(duì)接焊接接頭,使用V型坡口,假設(shè)殼體壁厚為45mm,建立的2D幾何模型如圖1所示。

圖1 球罐對(duì)接接頭有限元幾何模型

2)焊接熱源模型選取 在電弧焊時(shí),比較有效的方法是采用熱源密度q(r)為正態(tài)度分布的表面熱源,即假設(shè)熱量按概率分析中的高斯正態(tài)分布函數(shù)來分布,焊接熔池中復(fù)雜的熱過程用導(dǎo)熱連續(xù)體中的高斯熱源加以近似[1]。

對(duì)于球罐的焊接,筆者采用埋弧自動(dòng)焊,建立高斯函數(shù)分布熱源模型 (見圖2),其表達(dá)式為:

式中,q(r)為距電弧中心r處的熱流密度,J/s;qmax為電弧中心處最大熱源熱流密度,J/s;K為熱源集中程度的系數(shù),1/mm2;r為圓形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離,mm。

按照高斯分布曲線,熱源在無限遠(yuǎn)處才趨近于零。因此,要對(duì)熱源作用區(qū)域有個(gè)限制,即要確定加熱斑點(diǎn)的大小,一般取電弧中心處最小熱源熱流密度qmin=0.05qmax,即認(rèn)為加熱斑點(diǎn)內(nèi)集中了95%以上的熱量,按此條件,正態(tài)分布熱源加熱斑點(diǎn)的外徑

圖2 高斯函數(shù)分布熱源模型

3)生死單元格技術(shù) 在焊接過程中,在剛開始焊接時(shí)焊縫是不存在的,隨著焊接材料的不斷填充,焊縫才逐漸出現(xiàn),這也就是Ansys中單元由 “死”到 “生”的過程。

在Ansys中,單元的生死功能是通過修改單元?jiǎng)偠鹊姆绞綄?shí)現(xiàn)的。單元被 “殺死”時(shí),不是從剛度矩陣被刪除,而是其剛度降為一個(gè)低值。“殺死”的單元的剛度乘以一個(gè)極小的減縮系數(shù) (缺省為1.0E-6)。為了防止矩陣奇異,該剛度不設(shè)置為0。與 “殺死”的單元有關(guān)的單元載荷矢量 (如壓力、溫度)是零輸出。對(duì)于 “殺死”的單元,質(zhì)量、阻尼和應(yīng)力剛度矩陣設(shè)置為0。單元一旦被 “殺死”,單元應(yīng)力和應(yīng)變就被重置為0。因?yàn)?“殺死”的單元沒有被刪除,所以剛度矩陣尺寸總是保持著。與之相似,當(dāng)單元 “活著”的時(shí)候,也是通過修改剛度系數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)的。所有的單元,包括開始被 “殺死”的,在求解前必須存在,這是因?yàn)樵诜治鲞^程中剛度矩陣的尺寸不能改變,所以,被激活的單元在建模時(shí)就必須建立,否則無法實(shí)現(xiàn) “殺死”與激活。當(dāng)單元被重新激活時(shí),它的剛度、質(zhì)量與荷載等參數(shù)被返回到真實(shí)狀態(tài)。

4)材料屬性 定義隨溫度變化的熱物理性能參數(shù),并在實(shí)體各面定義隨溫度變化的對(duì)流、輻射等邊界條件。球罐殼體的材料為16MnDR,焊條采用E5016-G焊條[2]。

2 有限元模型的建立

1)選擇單元類型 Ansys單元庫有100多種類型,筆者使用同時(shí)具有溫度和位移自由度的13號(hào)2D耦合單元Vector Qaud 13進(jìn)行分析[3]。

2)劃分網(wǎng)格 Ansys軟件平臺(tái)提供了網(wǎng)格映射劃分和自由適應(yīng)劃分的策略。映射劃分只用于規(guī)則的幾何圖素,對(duì)于裁剪曲面或者空間自由曲面等復(fù)雜幾何體則難以控制。自由網(wǎng)格劃分用于空間自由曲面和復(fù)雜實(shí)體,球罐對(duì)接接頭選擇映射劃分。一般來講,網(wǎng)格數(shù)量增加,計(jì)算精度會(huì)有所提高,但同時(shí)計(jì)算量也會(huì)增加,應(yīng)在焊縫部位采用較密的網(wǎng)格,在遠(yuǎn)離焊縫的母材部分采用較稀疏的網(wǎng)格 (見圖3),這樣既可以提高運(yùn)算速度,又能夠保證計(jì)算精度[4-5]。

圖3 網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

在焊接過程中,局部區(qū)域受到高溫,越遠(yuǎn)離焊接點(diǎn)溫度越低。在冷卻過程中,隨著熱量的不斷流失,溫度逐漸降低,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的會(huì)先降到室溫,焊縫區(qū)及其附近區(qū)域最后降到室溫,經(jīng)過一段時(shí)間后整個(gè)構(gòu)件的溫度會(huì)與周圍的環(huán)境溫度相同,變得均勻。由局部區(qū)域 (包括焊縫及熱影響區(qū))受到高溫引起不均勻的熱量變化,使構(gòu)件產(chǎn)生焊接變形。在焊縫冷卻時(shí),焊縫和焊縫附近區(qū)域的鋼材連成一體,不能自由收縮,受到約束而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。隨著熱量的不斷流失,溫度逐漸降低,焊縫及焊縫周圍區(qū)域的殘余應(yīng)力逐漸增大。

圖4 焊接應(yīng)力分布云圖

殘余應(yīng)力最大值沒有出現(xiàn)在焊縫中,而是出現(xiàn)在焊縫與熱影響區(qū)的結(jié)合部,即熔合線附近 (見圖4),且處在焊縫余高與母材表面的交界處,主要由于此處余高與母材表面形狀發(fā)生了突變,故造成較大應(yīng)力,焊接應(yīng)力基本對(duì)稱,距離焊縫越遠(yuǎn)應(yīng)力越小,應(yīng)力分析基本合理。

[1]莫春立,錢百年,國(guó)旭明,等.焊接熱源計(jì)算模式的研究進(jìn)展[J].焊接學(xué)報(bào),2000,22(3):93-96.

[2]孫耀峰,張亦良,徐學(xué)東,等.2000m3球罐殘余應(yīng)力工作應(yīng)力對(duì)比分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(4):460-465.

[3]夏忠定.Ansys在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].油氣田地面工程,2007(3):49.

[4]韓敏.利用Ansy s軟件對(duì)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析 [J].煤礦機(jī)械,2008(1):73-74.

[5]劉興龍,曲仕堯,鄒增大,等.基于Ansys的焊接過程的有限元模擬 [J].電焊機(jī),2007(7):41-44.