輸電塔鋼管－板連接節點焊接數值模擬

張 亮，劉湘蒞，胡 鑫，宋文卓

(國網河南省電力公司經濟技術研究院，鄭州450002)

鋼管－板連接節點是大跨越輸電塔中常見的節點形式。它是由主桿與節點板通過焊接連接在一起。由于焊接過程中高度集中的瞬時熱輸入產生很大的動態應力，焊后將產生相當大的焊接殘余應力和殘余變形，致使構件產生裂紋，影響結構使用性能。因此，本文利用大型有限元軟件ANSYS，建立鋼管－板連接節點的有限元模型，采用熱力耦合分析方法對鋼管－板連接節點進行焊接數值模擬，獲得焊接溫度場及殘余應力場的分布規律，并通過對焊接應力的產生過程的了解和分析，研究殘余應力的形成機理，以為今后實際工程管板節點的有效應用提供參考。

1 焊接溫度場與應力場的計算方法

本文采用了“間接法”進行焊接數值模擬分析求解。

間接法［1］，是先對熱溫度場進行分析，然后在熱分析中將得到的每個節點溫度作為外部荷載，施加于結構應力場中。因此通常要在溫度場的模擬比較準確之后，再保存溫度場求解結果，以進行應力應變分析。如果獲得的應力應變分析結果不理想，則不需要再重新進行溫度場模擬分析，而只需要修改應力場中相關的力學性能參數或者優化載荷步長等，重新進行應力應變的求解分析計算，以節省大量的求解時間。

2 焊接溫度場的計算

2.1 幾何模型的建立

本文以皖電東送淮南至上海特高壓交流線路工程為背景，建立了與該工程中大跨越塔節點相同尺寸的節點模型。其中，一個管板節點幾何尺寸如圖1所示，管板節點幾何模型如圖2所示。主管型號為 φ299×9.0，支管型號為 φ89×8.0。主管長6D，支管長3D，其中，D為主管直徑，節點板長度為L=518 mm，節點板厚度為?=16 mm。

圖1 管板節點幾何尺寸(單位:mm)Fig．1 Node geometric size of tube plate

圖2 管板節點幾何模型Fig．2 Node geometric model of tube plate

2.2 定義材料屬性

焊接溫度場分析的熱物理參數:傳熱系數、密度等;應力場分析的熱物理參數為:彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、屈服應力、應變硬化模量［2］。本文焊接初始溫度取室溫25℃，節點主管采用Q345鋼，節點板采用 Q235 鋼［3－4］，假定焊縫金屬的熱物理參數與節點板相同［5－6］，根據瞬態熱應力分析的需要，考慮鋼管物理性能和力學性能隨溫度變化的規律，可對缺乏的高溫數據進行適當的擬合。各項物理性能參數如表1、表2所示［7］。

表1 Q235物理性能參數Tab．1 Q235 parameters physical properties

表2 Q345鋼材料性能參數Tab．2 Q345 steel material performance parameters

2.3 單元選擇

在 ANSYS的單元庫中，SOLID70、SOLID87、SOLID90三維熱單元具有熱分析直接轉化為結構分析的功能［9］。

本文采用SOLID70和SOLID90單元進行ANSYS有限元溫度場模擬分析，SOLID70單元的每個節點上只有一個溫度自由度，共有8個節點單元，通常適用于三維靜態或瞬態的熱分析，同時還具有勻速熱流傳遞的功能。這個單元能夠直接與SOLID45單元等常用的等效結構單元進行轉換。SOLID90單元主要用來模擬彎曲邊界，是SOLID70單元的高階形式。他們的形狀和節點分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 SOLID70單元幾何參數Fig．3 SOLID70 unit geometric parameters

圖4 SOLID90單元幾何參數Fig．4 SOLID90 unit geometric parameters

2.4 網格劃分

由于焊接溫度場在焊縫以及節點板與主管交匯的局部區域分布不很均勻，在劃分網格的時候，應當對其適當的加密，而在遠離焊縫區的局部溫度變化則相對較小，因此網格劃分的時候，可以適當的縮減網格數量。本文運用映射法劃分構造體，劃分單元的尺寸應該控制在3 mm上下，在遠離焊縫區域的地方也可以采用同樣的方法，劃分單元尺寸最好控制在23 mm上下，節點中間所連接的區域同時采用映射劃分，如圖5、圖6所示。

圖5 節點的有限元模型Fig．5 Node finite element model

圖6 焊縫詳圖Fig．6 Weld details

2.5 熱源選擇及施加

2.5.1 熱源模型的選擇

焊接熱源具有在電弧作用下易形成集中特點，同時伴隨有瞬時和快速移動的特點，因此造成了時間域和空間域內不均勻溫度場較大的梯度，導致在焊后產生較大的焊接應力和變形。對于焊接過程的溫度場數值模擬來說，熱源模型的選擇相當重要，而且熱源模型會直接影響到整個溫度場以及應力場的求解精度，所以本文采用角焊縫，并根據實際情況選用生死單元內部生熱的熱源模式。

2.5.2 熱源的移動

在焊接過程中，熱源在鋼體上不斷移動，這屬于動態過程。通過ANSYS有限元軟件，將這種動態的過程，轉化到離散的時間域中，并設定一定的時間步長，最后利用*DO－*ENDDO語句進行循環加載，從而實現焊接過程的模擬。假設在本研究中焊接速度取為v，焊接一道焊縫的時間為t，沿焊接方向長度為L，在各段的后點依次加載內部熱源所需的時間為L/v，通過依次在各點加載，可實現移動焊接瞬態溫度場的模擬。

2.6 焊接溫度場的分布

通過ANSYS的通用后處理器POST1功能［8］，我們可以即時查看焊接溫度場隨時間變化的過程。同時也可以運用ANSYS軟件生成整個焊接過程的動畫模擬功能，來表示整個焊接溫度場隨時間的變化過程。

以主管為 φ299×9.0，支管為 φ89×8.0的鋼管－板連接節點為例，研究溫度場隨時間變化的分布。焊縫長為518×2 mm，焊接速度為15 mm/s，焊接時間為120 s，冷卻至室溫共用時間為2200 s，其溫度場隨時間的變化過程如圖7所示。

圖7 溫度場隨時間的變化過程Fig．7 Temperature field changed with the time process

從圖7a—圖7n可以看到，在整個溫度場焊接加熱過程中的動態變化及等溫線分布的形狀。熱源所到的地方，焊接構件迅速升溫，隨著熱源的遠離，焊接構件溫度慢慢降低，最后形成穩定的溫度場。隨后下一個熱源中心將重復上一個熱源中心的溫度變化歷程。

從圖7o—圖7p可以看到，焊接主管和節點板經過120 s后，構件已經進入了冷卻階段。隨著熱量不斷地擴散傳播，構件上的溫度不斷下降，等溫線不斷擴大，直至最后各節點溫度逐漸趨向于室內環境溫度25 ℃［9］。

從整個焊接過程可以看出，隨著移動焊接的熱源中心，熔池不斷變化移動，溫度場的分布也跟著發生了變化，熔池中心溫度可達1900℃以上，同時可以看出焊縫附近的區域等溫線比較稠密，而相對遠離焊縫區域的等溫線就比較稀少，溫度場的分布很不均勻。由于節點板表面積沒有主管大，因此造成熱量發散較慢，溫度冷卻也慢一些。最后冷卻時刻的溫度在25.858℃，與室溫25℃相差在一度之內，可以說基本冷卻到了25℃的室溫。

2.7 沿路徑各點的溫度時間歷程曲線

以焊縫為中心依次選取模型主管上的7個節點，其溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。

從圖8中可以得出，在整個焊接過程中，各個節點的溫度隨時間的變化非常不均勻。在過程初級階段溫度變化快，升降也劇烈，隨后逐漸變平緩，最后降至室溫25℃，所以焊縫周圍區域的溫度變化較快，而距離焊縫區域稍遠處溫度則變化較慢，與實際情況基本符合，表明了焊接溫度場模擬的準確性。

圖8 節點溫度隨時間變化曲線Fig．8 Curve of node temperature change with time

3 焊接應力場的計算

3.1 焊接應力場的分布

在進行焊接應力場和殘余變形的計算分析中，不需要再重新建立模型，而是直接采用在溫度場中的計算有限元模型，這就需要先將熱單元轉換為相對應的結構單元，也就是熱單元solid70和solid90轉化為相應的結構單元solid45［9］。

在溫度場數值模擬準確的基礎上，進行應力場分析。下面主要研究構件焊接完后多產生殘余應力的有關分布情況。應力場隨時間的變化過程如圖9所示。

圖9 應力場隨時間的變化過程Fig．9 Process of stress field with time varying

從圖9中可以看出，焊縫以及其附近的區域殘余應力較大且分布范圍也集中，而遠離焊縫區域，則殘余應力非常小。因為焊接從加熱到冷卻時間很短，熱量傳播時間也很短，傳播到周圍的熱量就變得很少，所以溫度就變得較低，應變也較小，殘余應力就較小，這與焊接殘余應力的分布特點基本相符。

為了更充分地顯示節點殘余應力分布特征，特提取出鋼管－板連接節點橫向殘余應力分布，如圖10所示。

從圖10可以看出，橫向殘余應力在節點板兩端處有很小的壓應力，其他部分均為拉應力。這表明在焊縫冷卻時，焊縫區域由于被塑性壓縮，則趨于縮短，而受到兩側鋼材的限制，則產生拉應力。這與理論中的焊接殘余應力的分布特點相符，證明了該種模擬方法的準確性。

3.2 焊接殘余變形特點

鋼管－板連接節點的殘余變形如圖11所示。

圖11 焊接殘余變形Fig．11 Welding residual deformation

從圖11中可以看出，焊縫以及附近區域產生了較大的收縮變形。這是由于焊縫區域受拉，焊縫也比較集中，因此致使鋼管－板連接節點產生了收縮變形。

4 結論

本文利用ANSYS強大的后處理功能，把不同時刻的焊接溫度場和應力場分布情況進行求解模擬分析，得出了以下結論。

1)從整個焊接過程可以看出，隨著移動焊接的熱源中心，熔池也伴隨著熱源不斷變化移動，溫度場的分布也隨著發生了變化。熔池中心溫度可達1900℃以上，非常高，溫度場的分布也非常復雜。

2)通過分析不同時間、焊縫中心線上沿焊接方向的不同各點的溫度分布曲線，可以得出焊接溫度場基本符合焊接理論中的分布。同時也證明了ANSYS單元的生死功能。

3)焊接過程中，各點的溫度變化發展情況非常不規律，在主管與主板交匯的焊縫區域，溫度變化速度較快，而遠離焊縫區域各點溫度變化速度較慢。

4)主管與節點板交匯處的焊縫附近，殘余應力主要呈周期性變化發展，主要部分區域殘余應力出現最大值。在遠離焊縫中心區域后，焊接殘余應力值會迅速變小。

5)運用ANSYS生死單元技術，即一次生一道焊縫的所有單元，可以很好地模擬焊接過程。利用ANSYS的“熱－結構”耦合功能可將不均勻的熱效應轉化為結構冷卻后的殘余應力，較好地模擬出鋼結構復雜節點的焊接溫度場和應力場，同時通過焊接殘余應力在加熱和冷卻過程中的瞬態變化，證明得到生死單元技術模擬焊接過程是可行的。

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