基于Abaqus汽輪機低壓缸端板焊接數值模擬

韋 康 呂 濤 張志蓮 肖云峰

(1. 北京工業大學機械工程與應用電子技術學院；2. 北京石油化工學院機械工程學院)

隨著計算機技術的發展，有限元數值模擬計算方法得到極大的推廣，該方法可以避免依靠經驗的無定量性和依靠試驗的大量耗費成本性缺點，從而提高生產效率、減少生產成本。筆者運用專用有限元軟件Hypermesh對模型劃分高質量網格，通過焊接專用有限元軟件Sysweld提取焊縫的熱循環曲線，將熱循環曲線作為數值模擬的載荷進行加載，通過大型通用有限元軟件Abaqus并采用熱彈塑性有限元法和生死單元法對汽輪機低壓缸端板的焊接變形進行數值模擬計算，得到該結構的焊接殘余應力和焊接變形。

1 模型建立及焊接工藝

1.1端板模型建立

低壓缸端板模型如圖1所示，端板由底板和加強板焊接而成，加強板焊接在底板上以增加結構強度。該結構內圈半徑R1為3 250mm，外圈半徑為R2為7 050mm，底板厚25mm，加強板厚25mm。端板結構對稱，為減少模擬計算量，取端板結構的1/2進行模擬。端板采用結構化8節點的六面體單元，計算溫度場采用DC3D8單元類型，計算熱應力采用C3D8R單元類型，端板的單元數為133 379，節點數為186 656。該結構的有限元網格劃分如圖2所示。

圖1 端板幾何模型

圖2 有限元網格模型

為保證計算的精確度，劃分網格時需將焊縫周圍網格進行細化，遠離焊縫位置網格劃分較稀疏，如圖3所示。

圖3 局部有限元網格

1.2熱源模型

焊接熱源模型應根據結構的實際焊接過程進行選擇。雙橢球(Double ellipsoid)熱源模型(圖4)是至今為止被公認最接近的焊接熱源模型，且該結構采用CO2氣體保護焊的焊接工藝，選用雙橢球熱源模型可以精確地模擬計算、提高計算效率[9]。

最近，我不愿一直在家閑著，打算開家雜貨店自食其力。只是我一人難以打理店面，所以期盼父親能回來幫我一把。

圖4 雙橢球熱源模型

雙橢球熱源函數表達式如下：

其中，Qf為前段輸入的熱流密度，Qr為后段輸入的熱流密度，其他參數為熱源形狀參數。

1.3焊接工藝

該端板結構的材料為ZG15Cr1MoA，該材料為鐵素體類低合金熱強鋼，具有良好的鑄造工藝性能和焊接性。焊接工藝采用CO2氣體保護焊，焊絲采用H08CrMnSiMo，焊接速度5mm/s，電壓30V，電流280A，熱輸入效率70%，焊接前進行預熱處理，預熱溫度為150℃。

端板實際焊接時，先將槽鋼點焊在底板上，保證焊接時加強板與底板位置的相對固定。該結構的焊縫數量較多、分布密集，為減小焊接變形，結合焊接經驗，端板焊接時采用對稱焊接的方法，焊接順序如圖5所示。該結構均采用平面約束的方法模擬實際焊接中放在地面上的焊接邊界條件。

圖5 焊接順序

2 熱循環曲線與生死單元

2.1熱循環曲線

在焊接過程中，焊件上任一點的溫度都經歷由低到高的升溫階段，達到最大值后，又經歷由高到低的降溫階段。焊接熱循環曲線包含了焊接接頭溫度變化及冷卻相變等重要信息，這些信息對于了解焊接冷卻相變過程、接頭組織及應力變形等具有重要意義[10]。為更精確地反映實際焊接時焊縫熱量的輸入，通過焊接模擬專用有限元軟件，模擬汽輪機端板實際焊接過程中焊縫部位的熱循環曲線(圖6)，在Abaqus計算時采用熱循環曲線加載方式進行加載。

圖6 端板焊接熱循環曲線

2.2生死單元

單元生死技術是指在有限元分析過程中，通過參數控制某些單元在一定時間內的生和死。在單元生時，將該單元剛度矩陣和載荷矩陣計算到總體剛度矩陣和載荷矩陣中；單元死時，該單元的剛度矩陣和載荷矩陣被賦予一個小量，相當于不將剛度矩陣和載荷矩陣計算到總體的剛度和載荷矩陣中[11，12]。

為了模擬實際的焊接過程和結構之間力的傳遞，在模擬計算汽輪機端板焊接中，采用生死單元技術。在焊接第一條焊縫時，其他幾條焊縫單元都被殺死，后面的焊縫焊接時，焊接一條焊縫激活一條焊縫單元。

3 焊接數值計算及結果分析

該端板是對稱結構，端板1/2結構上共有16條焊縫，總體上焊縫呈對稱分布。運用Abaqus計算時采用間接熱力耦合方法，即先計算溫度場分布情況，再將計算所得溫度場作為荷載加載，計算應力場和變形場分布。溫度邊界條件為環境溫度20℃，對流換熱系數取0.02mW/mm2·℃；應力邊界條件為約束端板的幾何末端，采用平面約束的方法約束低壓缸端板。

3.1溫度場結果

采用生死單元技術并將熱循環曲線作為荷載加載后，計算得到端板焊接溫度場分布情況，圖7所示為第一道焊縫焊接完成時的溫度場分布和最后一道焊縫焊接完成時的溫度場分布情況。

a. 第一道焊縫

b. 最后一道焊縫

由溫度場分布可以看出，由于焊接部位的不同，在相同的焊接熱量輸入下得到的焊縫溫度場分布也不完全相同。

3.2焊接應力和焊接變形結果

將計算得到的溫度場結果作為計算焊接殘余應力和焊接變形的熱載荷，得到汽輪機低壓缸端板焊接殘余應力如圖8所示，焊接變形如圖9所示。

a. 端板Mises應力

b. 最大Mises應力

a. Norm方向

b. x軸方向

c. y軸方向

d. z軸方向

由焊接殘余應力云圖可以看出，低壓缸端板的焊接殘余應力基本都小于650MPa，最大的焊接殘余應力出現在結構對稱面上，主要原因是由于結構劃分網格不連續造成的，另外焊接塑性區的選取也有影響，局部幾個積分點的應力過大不影響整個結構焊接變形量的計算和計算精度。

由焊接變形云圖可以看出，汽輪機低壓缸端板的焊接變形主要表現在厚度方向和x軸方向，最大的焊接變形量為13.090 0mm。在長、寬的方向和y、z軸方向變形量較小，y軸方向的最大焊接變形量為1.285 0mm，z軸方向的最大焊接變形量為0.866 8mm。

3.3焊接變形結果對比

在現場焊接完成冷卻后，測得端板內外圈共20個測量點的焊接變形，將數值計算值與實際測量值進行對比，結果如圖10所示。

圖10 端板測量點的焊接變形

總體來看，實際測量的焊接變形量與計算結果吻合良好；在20個測量點中有18個點的數值計算值比實際測量值小，主要原因是沒有準確的材料高溫熱物理參數，其次是由于在計算過程中添加的約束與實際情況有一定的差別。

4 結論

4.1采用焊接熱循環曲線加載，可以準確地模擬焊接加熱和冷卻過程中節點溫度的變化情況，使數值計算結果更加精確。

4.2從端板的焊接變形云圖可以看出，要減小焊接變形量，可以在端板的外端加強筋焊接處添加約束，可以減小焊接變形。

4.3通過比較焊接變形數值計算值和實際測量值，分析出焊接變形計算值誤差在20%以內，驗證了數值模擬計算汽輪機側板焊接變形的準確性和精確性。

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