陈天敏
苏州纽威阀门股份有限公司 苏州 215129
摘要:基于Altair公司的HyperMesh有限元前处理软件,建立某抗硫球阀袖管焊接温度场计算有限元模型,计算抗硫球阀袖管焊接时的温度场分布,科学定量地评价焊接温度对阀门及袖管本身的影响,验证袖管设计长度的合理性。
关键词:HyperMesh; 球阀; 焊接; 温度场
0概述
某抗硫球阀为对焊端结构,需要焊接袖管。焊接过程产生的高温会造成热影响区域,尤其接头区域产生变形及残余应力,同时O型密封圈处的温度也是焊接生产比较关心的问题。因此,为弄清袖管焊接过程中温度场规律,给实际焊接生产提供理论性指导,有必要对袖管焊接问题进行数值模拟。
该抗硫球阀在设计过程中,考虑到焊接过程中复杂热传导对结构的影响,适当增加了袖管长度,降低焊接袖管时对阀门本体材料及阀门内件产生的影响。为了科学验证焊缝I和焊缝Ⅱ的热影响区域及袖管设计长度的合理性,根据焊接试验数据,通过有限元前处理软件HyperMesh建立有限元模型,利用某求解器计算抗硫球阀袖管的焊接温度场,为定量评价焊接温度对阀门及袖管本身的影响提供科学依据。
1问题描述
如图1为抗硫球阀阀盖和袖管焊接示意图,阀盖与袖管、袖管与袖管通过焊接方式连接起来,如图中焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ,当设计的阀盖进出口段与袖管过短,完全在焊接热影响区域时,会影响阀门密封性能以及力学性能。因此,需要解决以下问题:
1、当焊接焊缝Ⅰ时:
A、阀盖和袖管焊接时,计算O型圈密封面处的温度?控制目标:≤200℃。
B、焊接热影响区(温度≥200℃的区域),当温度降到200℃时,此位置距离焊缝中心的距离是多少?目标:计算焊接热影响区域范围。
2、当焊接焊缝Ⅱ时:
焊接热影响区(温度≥200℃的区域),当温度降到200℃时,此位置距离焊缝中心的距离是多少?目标:计算焊接热影响区域范围。
2焊接温度场计算模型
焊接是一个涉及电弧物理、传热介质、冶金和力学的复杂过程,在传热过程中,从局部快速加热到高温,并随后快速冷却,伴随着金属熔化和凝固、加热或冷却过程的相变、焊接应力与变形的产生等。随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的热物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象。
实际焊接热过程异常复杂,其模拟计算不可能考虑到所有的实际焊接条件。由于本计算旨在考察焊接时热传导对阀盖及袖管的影响,因此为了计算保守,同时控制计算成本,提高效率,在建模计算时做适当的简化假设。
● 不考虑焊缝内部的变化,即对温度在熔化温度以上的熔化金属部分仍然看作固态,所以其热控制方程采用热传导微分方程。
● 假定材料是各向同性,导热系数不随温度变化,不考虑材料的热物理性能对温度的依赖性。
● 根据实际焊接工艺以及考虑结果保守性,使用高斯面热源模型模拟对工件的加热作用。
● 根据学者研究结论和工程经验,由于在焊接热源移动过程中,热源位置的温度场分布形状基本保持不变,具有一定的准稳态分分析的特征。因此,本计算采用稳态热分析方法。
2.1 热源模型以及过程模拟
根据实际焊接工艺,摒弃复杂的热源模型,如半球状高斯体热源、双椭球功率密度分布热源、高斯柱体热源、旋转体热源等模型,而选取高斯面热源模型,如下式:
由于本计算不涉及结构应力与变形计算,仅考虑温度场分布,故采用稳态分析。
2.2 有限元模型
本计算以20”抗硫球阀为研究对象,由于结构的对称性,取模型的1/4进行建模。在HyperMesh中划分网格,单元总数为211815,节点总数为418934。阀盖、袖管与焊缝通过MPC方法建立连接关系。划分单元时考虑到焊接热源附近温度梯度大,在焊缝及附近采用细分的网格,而在远离热源处采用较大的网格,以保证计算精度和提高计算速度。有限元网格如图2所示。
温度边界条件包括接触传导、对流和辐射三种类型,用以反映焊件与周围环境,以及焊件与工件之间的热量传输关系。对于对流和辐射边界条件,利用总换热系数来处理,关系式为:
式中H为换热系数;为工件温度;为环境温度。
当温度达到200℃(此温度下钢开始丧失弹性)之处距离焊接热源焊缝轴线的距离,确定焊接热影响的区域范围,焊接袖管采用的焊接工艺参数按照WPS,电流,电压,电弧移动速度,袖管厚度T=16mm,热利用有效系数为。电弧焊的有效功为。