核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量仿真研究＊

陳鵬張樹瀟張濤羅鋒吳曄華劉一搏

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核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量仿真研究＊

陳鵬1，張樹瀟1，張濤2，羅鋒1，吳曄華1，劉一搏2，3

（1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

核電SC構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫數(shù)量多、拼裝精度高的特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的預(yù)測(cè)與控制是目前需要解決的問題。以核電SC結(jié)構(gòu)橫焊子模塊為研究對(duì)象（長(zhǎng)度超過(guò)24 m），建立了SC結(jié)構(gòu)模塊1∶1尺寸三維數(shù)值模型。并采用局部-整體有限元計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)焊后的變形量進(jìn)行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，由于焊接順序和各板體內(nèi)部的鋼筋密度不同，子模塊各板體表現(xiàn)出不同的變形分布特征。變形集中分布在2#板體中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，最大變形量為3.83 mm。3#板體的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量為2.1 mm。模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有較高的吻合度。

大型結(jié)構(gòu)件；焊接變形；局部-整體映射有限元；數(shù)值模擬

1 引言

CAP1400屏蔽廠房外露筒體采用鋼板混凝土結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱“SC結(jié)構(gòu)”），是核電站安全的最后一道屏障。SC結(jié)構(gòu)鋼板厚度為20 mm（局部加厚為25 mm），內(nèi)外兩側(cè)鋼板之間用對(duì)穿鋼筋連接。焊縫總長(zhǎng)可以達(dá)到1 799.6 m，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫數(shù)量多、矯形難度大的特點(diǎn)。焊接變形是目前影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和建造效率的主要問題之一，焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過(guò)程，而且還會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的使用性能[1-3]。因此，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)需要充分考慮焊接變形的規(guī)律和特點(diǎn)，特別是對(duì)大型結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè)具有重要意義。

通過(guò)數(shù)值仿真的方法研究焊接變形規(guī)律，有助于減少工藝試驗(yàn)量，并對(duì)實(shí)際焊接變形的預(yù)測(cè)及控制有一定的指導(dǎo)作用[4-5]。目前的研究方法中，主要包括熱彈塑性有限元法、固有應(yīng)變法、線彈性體積收縮法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6-8]。其中，熱彈塑性有限元方法對(duì)焊接變形及殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)具有較高的模擬精度。但是，當(dāng)面對(duì)大型構(gòu)件模擬計(jì)算時(shí)，會(huì)存在求解時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算結(jié)果不易收斂等問題，難以滿足實(shí)際工程的要求[9]。固有應(yīng)變法和線彈性體積法等方法可以對(duì)大型結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)進(jìn)行很好預(yù)測(cè)，但是變形量精度還有待提高。相比之下，局部-整體映射有限元方法更適合對(duì)大型焊接構(gòu)件進(jìn)行變形仿真研究[10-11]。焊接構(gòu)件變形主要是由焊縫及其附近區(qū)域的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)斐傻模谶h(yuǎn)離焊縫區(qū)域的變形可以看做是彈性變形。因此，可以通過(guò)將主要應(yīng)變區(qū)的塑形應(yīng)變單獨(dú)計(jì)算并提取出來(lái)，映射到整體模型當(dāng)中來(lái)計(jì)算最終結(jié)構(gòu)的變形。本文采用sysweld軟件中的局部-整體模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量的模擬仿真，模擬中詳細(xì)考慮了實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、焊接順序、坡口形式及工裝卡具的影響，并對(duì)焊后的結(jié)構(gòu)變形行為進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

2 模擬建模及驗(yàn)證方法

2.1 整體模型尺寸及材料

SC結(jié)構(gòu)橫焊子模塊主要包含3個(gè)子模塊（分別為1#、2#和3#）共6塊板材，每對(duì)板材之間設(shè)有對(duì)穿鋼筋，根據(jù)鋼筋密度的不同，分為加密區(qū)與非加密區(qū)2個(gè)部分。單板尺寸為：12 559 mm×3 000 mm×20 mm。其中1#和2#子模塊先進(jìn)行立焊拼接，矯形后再將3#板材拼裝在其上方進(jìn)行橫焊工位的焊接。SC橫焊1∶1整體模擬件三維模型如圖1所示，左下為1#子模塊（加密區(qū)），右下為2#子模塊（非加密區(qū)），上側(cè)為3#子模塊（加密區(qū)）。板體材料為Q345B，焊縫材料為ER70S-6，材料差異對(duì)本模擬的溫度場(chǎng)及變形結(jié)果影響可以忽略。

圖1 SC橫焊1∶1子模塊整體數(shù)學(xué)模型

2.2 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)分析與建模

SC三合一橫焊子模塊結(jié)構(gòu)主要包括板體區(qū)、鋼筋區(qū)、焊縫區(qū)3部分。其中，鋼筋直徑為20 mm。不同板體內(nèi)部的鋼筋密度有所不同，加密區(qū)的鋼筋間距為150 mm，非加密區(qū)的鋼筋間距為450 mm，具體分布如圖2所示。坡口及焊縫的尺寸模型如圖3所示，并根據(jù)實(shí)際焊縫的填充層數(shù)和焊縫道數(shù)，對(duì)焊縫截面進(jìn)行建模。SC橫焊子模塊現(xiàn)場(chǎng)防變形工裝采用蹄型角鐵約束法，建模中采用sysweld軟件中的約束模塊，對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行等效約束。同時(shí)，為了提高模擬與實(shí)際情況的符合度，對(duì)模擬中的焊接順序進(jìn)行了詳細(xì)考慮，通過(guò)分組模塊對(duì)每一道焊縫的焊接順序進(jìn)行了分組與編號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)同時(shí)焊接、分段焊接與交錯(cuò)焊接等。

圖2 板材之間的鋼筋分布

圖3 外側(cè)橫焊坡口及焊縫（加墊板）

2.3 熱源校核

模擬中采用雙橢球熱源模型作為電弧熱源，并通過(guò)焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果來(lái)對(duì)熱源模型進(jìn)行修正與校核，測(cè)量點(diǎn)沿垂直焊縫方向分布，在sysweld中利用時(shí)間歷程處理器，提取三維模型中任意節(jié)點(diǎn)溫度的時(shí)間歷程曲線。模擬溫度結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)分析，模擬結(jié)果中的溫度結(jié)果數(shù)值與實(shí)際測(cè)量的溫度變化趨勢(shì)一致，數(shù)值偏差在10～20 ℃，具有較高的模擬精度，可以滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)要求。

圖4 模擬溫度場(chǎng)與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比圖

2.4 變形量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

為了驗(yàn)證變形量模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用全站型電子測(cè)距儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)SC三合一橫焊子模塊的焊后變形量進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量前對(duì)6個(gè)板面（1N、1W、2N、2W、3N、3W）分別進(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)定，如圖5所示，所得測(cè)量結(jié)果后續(xù)將與模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

圖5 板材表面測(cè)量點(diǎn)位分布圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 局部模型變形

為了提高模擬精度，模擬中對(duì)局部模型截面網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理。此外，橫焊中涉及多道多層焊縫，局部模型計(jì)算時(shí)需對(duì)每一道每一層焊縫的塑形應(yīng)變分布進(jìn)行計(jì)算。模擬過(guò)程中，熱源會(huì)按焊縫的排布順序進(jìn)行加載。當(dāng)加載第一道焊縫時(shí)，后面的焊縫網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不參與模擬計(jì)算，只計(jì)算第一道焊縫與板材的應(yīng)力變形。

當(dāng)加載第二道時(shí)，只計(jì)算第二道焊縫對(duì)第一道焊縫和母材的應(yīng)力變形，后面的焊縫網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不參與模擬計(jì)算。諸如此類，依次疊加直到全部焊縫區(qū)域計(jì)算完成。將每一道焊縫所引起的塑形應(yīng)變數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲(chǔ)，后續(xù)再映射到SC三合一橫焊子模塊模型當(dāng)中。

3.2 SC三合一橫焊子模塊變形

通過(guò)三合一模擬件數(shù)值模擬，得到焊后板材法向方向和軸（豎直）方向整體結(jié)構(gòu)的變形分布結(jié)果。從模擬結(jié)果分析，針對(duì)焊后板材法向量方向變形，三合一橫焊子模塊中2#子模塊板材的變形量最大，3#子模塊板材次之。變形集中分布在2#板材中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，板材最大變形量在3.83 mm左右。3#板材的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#子模塊外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量在2.1 mm左右。針對(duì)焊后軸方向的變形分布，模擬中考慮了板材的自重和地表約束。三合一板材軸方向上的彈塑性變形為0.3～0.6 mm，鋼筋的彎曲變形在軸上的位移分量最大可以達(dá)到2.5 mm，說(shuō)明鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)整體三合一變形抑制上起到了明顯的作用。

為了獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，將模擬結(jié)果中三合一橫焊子模塊變形量放大100倍后，從模擬結(jié)果中可以看出，1#、2#、3#板體整體上呈向徑向外側(cè)變形的趨勢(shì)，2#板體的變形最大。分析認(rèn)為，一方面橫焊焊縫主要作用在2#板體上方，另一方面2#板體內(nèi)部的鋼筋密度要低于3#和1#板體，因此變形比較突出。相比之下，橫焊整個(gè)焊縫區(qū)域呈現(xiàn)向徑向內(nèi)側(cè)收縮變形的趨勢(shì)。

4 模擬結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將SC橫焊子模塊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行變形量比較，如表1所示。取點(diǎn)位置來(lái)自1#、2#、3#子模塊的6個(gè)板體面，具體包括變形量比較大的2#板體中下部區(qū)與板體邊緣區(qū)，各板體焊縫附近區(qū)域以及變形最大區(qū)，基本上可以代表板材表面的特征點(diǎn)。從表1可以看出，在變形量較大的測(cè)點(diǎn)位置模擬結(jié)果具有較高的精度，誤差可以控制在20%以內(nèi)。在變形較小的區(qū)域，變形量基值很小，相對(duì)誤差高，但不影響對(duì)變形趨勢(shì)和規(guī)律的分析。造成誤差的來(lái)源主要包括板材實(shí)際尺寸的偏差、環(huán)境溫度、地表摩擦力對(duì)變形造成的抗力等。

表1 模擬變形量與實(shí)際測(cè)量對(duì)比

板材編號(hào)NmbNODE_ID模擬值/mm實(shí)測(cè)/mm誤差/（%） 1N63597552.062 41.8 11.10 1N33272240.740 361.2 41.70 1N25692040.933 850.5 80.00 1N30685111.336 411.2 8.30 1W31052320.342 290.4 15.00 1W51055170.523 170.6 13.30 1W25671880.812 451.0 20.00 1W37252761.339 251.5 11.30 2N163585003.150 42.9 6.90 2N323253793.166 813.0 6.70 2N253245513.689 733.4 5.90 2N283249093.187 322.9 10.30 2N3356959-1.447 97-1.8 22.20 2N5357202-1.231 54-1.6 25.00 2W13603403.194 992.8 14.30 2W173272193.22.4 33.30 3N8282861.650 781.4 14.30 3N9282521.681 790.9 77.80 3N16280001.546 491.3 15.40 3N37239442-1.064 76-1.2 20.00 3W1307351.604 911.9 15.80 3W9311071.688 751.5 13.30 3W15313831.121 610.730.00 3W38240769-1.075 29-1.880.00

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究，得出結(jié)論為：①采用局部-整體映射有限元方法實(shí)現(xiàn)了核電站SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊的焊接變形量仿真，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有較高的吻合度。②橫焊子模塊板體呈向徑向外側(cè)變形的趨勢(shì)，非加密區(qū)的2#板體的變形最大。橫焊焊縫區(qū)域呈現(xiàn)向徑向內(nèi)側(cè)收縮變形的趨勢(shì)。③由于焊接順序和各板體內(nèi)部的鋼筋密度不同，三對(duì)板體表現(xiàn)出不同的變形分布特征。變形集中分布在2#板體中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，最大變形量為3.83 mm。3#板體的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量為2.1 mm。

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陳鵬（1992—），男，河北保定人，本科，學(xué)士學(xué)位，初級(jí)工程師，主要從事核電建造焊接技術(shù)研究工作。

劉一搏（1987—），黑龍江人，博士，講師，研究方向?yàn)樵霾闹圃臁惙N金屬連接。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：2017ZX06002008-002-006）

2095－6835（2019）01－0035－03

TG404

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.035

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕