王影 孫雪嬌 耿西陽 韓佳桐
摘 要：本項目基于ANSYS軟件，對直徑為273mm、厚度為10mm的X60鋼管進行有限元數(shù)值模擬分析，利用間接模擬的方式對模型的溫度場和應力場進行數(shù)值模擬計算，通過實驗的方式對模擬結果的準確性進行佐證，最后通過對溫度、應力場結果的分析，不斷調(diào)整焊接工藝參數(shù)達到最優(yōu)結果。
關鍵詞：管道焊接;溫度場;應力場;殘余應力;有限元分析
0 前言
管道輸送因其運輸量大、經(jīng)濟性好、安全性高等諸多優(yōu)點廣泛應用于能源輸送領域，管道焊接質(zhì)量直接決定了管道的承載能力與運輸效率，合理的焊接工藝參數(shù)可以提升焊接管道質(zhì)量和焊接效率，采用數(shù)值模擬技術可以節(jié)省大量的人力物力和工程周期，因此，如何運用數(shù)值模擬技術進行管道焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化研究就顯得尤為重要。
1 吊車桁架有限元分析前處理
模型采用全模型進行模擬，共分10個體。其中，V型坡口焊縫為8個半環(huán)體，這是由于利用面旋轉生成體的過程至少需要2等分。本文在劃分網(wǎng)格時，對四道焊縫分別賦予了不同的材料號碼，分別為1，2，3，4，母材的材料號碼定義為5，便于后續(xù)通過材料號碼對焊縫體及相關單元進行選取等操作。如圖1所示。
定義X60熱物理參數(shù)如表1所示。
2 吊車桁架殘余應力有限元分析
第一道焊接中，焊接末及焊后冷卻6s及30s時溫度場，依次如圖2，圖3，圖4，圖5所示。
結果可見：（1）第一道焊縫焊接中及焊接末整體模型最高溫度產(chǎn)生在焊縫前端，最高溫度分別為1463.29℃，1488.88℃，均滿足施焊要求。（2）冷卻6s時，整體模型最高溫度已經(jīng)降至696.98℃，冷卻30s后最高溫度降低至225.7℃，此時主要組織相變已經(jīng)完成，整體模型溫度較低，從而防止了連續(xù)焊接帶來的較大熱應力及變形，符合多道焊工藝設計要求。
第四道焊縫焊接初始，焊接末及焊后冷卻1000s，3500s時溫度場，依次如圖6，圖7，圖8，圖9所示。
結果可見：（1）第四道焊縫焊接初及焊接末模型整體最高溫度分別為1264.62℃，1294.34℃，略低于施焊要求。主要由于第四道焊縫橫截面最大，需要更大的體生熱率來滿足其焊接要求，因此，按照當前焊縫設計工藝，可以在實際焊接過程中考慮兩個方向的改進，一是改進焊縫面積，盡量使得四道焊縫的橫截面積相同，從而利用同樣大小的熱輸入均可獲得滿意的焊接溫度，二是改進焊接工藝參數(shù)，在第四道焊縫焊接時適當增大焊接電流即可。本文在第四章中也將通過更改焊接電流進行改進后的焊接溫度場，應力場模擬來進一步驗證。（2）冷卻1000s及3500s后最高溫度分別降低至271.78℃，43.26℃，這個時候整體模型的溫度已經(jīng)接近于室溫，并且焊接區(qū)的溫度已基本相同，在這種狀態(tài)下已經(jīng)可以評估殘余應力的結果。
3 結論
本文焊接溫度場模擬比較合理，整個模型在焊接過程中達到了準穩(wěn)態(tài)過程，焊接溫度平穩(wěn)，并冷卻至接近室溫，滿足焊接變形，殘余應力計算要求。同時，本章所設計焊接工藝存在尚需改進之處，如第四道焊縫焊接溫度偏低，作為焊接工藝改進的一項，本文將在第四章進行改進模擬并對比本章計算結果。
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基金：營口理工學院2020年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（112301001）
作者簡介：王影（1985-），女，遼寧營口人，研究生，主要研究方向：機械工程。
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