焊接殘余應(yīng)力有限元分析技術(shù)研究

1前言焊接在工業(yè)中的應(yīng)用是不言而喻的，但同時(shí)焊接過程中產(chǎn)生的殘存應(yīng)力往往又會(huì)造成焊接失效。因此，在工業(yè)中普通都要對(duì)殘存應(yīng)力進(jìn)行消除，但這種消應(yīng)力解決往往在實(shí)際構(gòu)造或環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)，就必須進(jìn)行破壞性分析。隨著我國核反映堆的建設(shè)及運(yùn)行，核級(jí)設(shè)備及管道會(huì)出現(xiàn)較多的缺點(diǎn)，有的缺點(diǎn)必須進(jìn)行打磨后焊接修復(fù)，同時(shí)要進(jìn)行力學(xué)分析評(píng)價(jià)，此時(shí)，力學(xué)分析就必須考慮由焊接而產(chǎn)生的殘存應(yīng)力。對(duì)于焊接后構(gòu)造中的殘存應(yīng)力大小及分布，會(huì)因構(gòu)造形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。某核電站控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（CRDM）耐壓殼上部Ω環(huán)持續(xù)兩年都出現(xiàn)了泄漏，并在檢修期間進(jìn)行焊接修復(fù)。焊接公司委托美國公司對(duì)修復(fù)后的構(gòu)造進(jìn)行了力學(xué)分析和評(píng)定。焊接殘存應(yīng)力的有限元計(jì)算是核心技術(shù)之一，也是難點(diǎn)。通過本課題的研究，掌握有限元模擬焊接過程及殘存應(yīng)力計(jì)算，能夠提高我國焊接修復(fù)工程缺點(diǎn)的分析能力，優(yōu)化不符合項(xiàng)的解決程序，達(dá)成既節(jié)省時(shí)間和資金又滿足工作性能和安全性能的目的。因此，進(jìn)行焊接殘存應(yīng)力有限元分析技術(shù)的研究是非常有必要的。2焊接實(shí)例本文以某核電站CRDM耐壓殼Ω焊接為研究對(duì)象，分析研究焊接后的殘存應(yīng)力分布。CRDM耐壓殼涉及上段是驅(qū)動(dòng)桿行程套管和下段的密封殼。驅(qū)動(dòng)桿行程套管與密封殼采用螺紋連接，Ω焊接密封的構(gòu)造進(jìn)行連接和密封。驅(qū)動(dòng)桿行程套管的上端采用端塞，通過螺紋連接，Ω焊接密封的構(gòu)造進(jìn)行密封。CRDM耐壓殼采用的這種密封構(gòu)造形式是一種便于拆裝的焊接密封構(gòu)造，由于其內(nèi)力的整體平衡重要由連接螺紋承當(dāng)，Ω焊縫功效上重要起密封作用。其構(gòu)造及尺寸見圖1和圖2。圖1輻照監(jiān)督管位置圖圖2密封焊縫的構(gòu)造尺寸圖對(duì)CRDM耐壓殼上的Ω密封焊縫的修復(fù)采用OVERLAY修復(fù)技術(shù)。即在出現(xiàn)泄漏的Ω密封焊縫（CSW）處，經(jīng)打磨后用GTAW辦法堆焊INCONEL52。從采用OVERLAY技術(shù)修復(fù)CRDMΩ密封焊縫的總報(bào)告[1]可知：（1）堆焊兩層，每層厚度為2.032mm（0.08in），總厚度為4.064mm（0.16in）。（2）堆焊共進(jìn)行12道，其堆焊次序見圖3。（3）應(yīng)用ANSYS5.3有限元程序模擬焊接過程，進(jìn)行了溫度場分析和熱應(yīng)力分析，擬定殘存應(yīng)力分布。圖3計(jì)算分析的焊道定義圖3有限元生死單元技術(shù)有限元生死單元是指在模型加載過程中的某一指定時(shí)間，控制單元的生死選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)在此指定時(shí)間內(nèi)構(gòu)造的“存在”或“不存在”。單元生死選項(xiàng)并非真正的刪除或重新加入單元，死單元在模型中仍然存在，但其單元載荷、質(zhì)量、阻尼、比熱等為0。死單元的質(zhì)量和能量將不涉及在模型求解成果中。若使單元重生，即在前解決器中激活它們，單元特性就建立了，這樣就能實(shí)現(xiàn)焊接過程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的一部份。在ANSYS程序中，單元類型PLANE55（熱單元）和PLANE182（構(gòu)造單元）都支持單元生死功效，將分別應(yīng)用于溫度場計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算分析中。單元生死分別用EALIVE和EKILL命令執(zhí)行，并打開分析選項(xiàng)中的完全牛頓-拉佛森（fullNewton-Raphson）辦法，將得到較好的非線性計(jì)算收斂成果。4有限元模擬焊接流程計(jì)算運(yùn)用有限元生死單元技術(shù)既可模擬焊接過程中的堆焊部分，分別加載能量進(jìn)行溫度場計(jì)算達(dá)成模擬焊接的整個(gè)過程。分析時(shí)首先建立有限元模型，見圖4，平面單元均為PLANE55（熱單元），接觸單元用CONTA171（接觸元）和CARGE169（目的元），其捏合壓力為1.8Pa（2.62E-4ksi），摩擦系數(shù)為0.5。圖4有限元模型圖在溫度場計(jì)算時(shí)，首先將12條焊道的單元“殺死”，進(jìn)行初始條件計(jì)算，時(shí)間歷程的影響關(guān)閉，然后逐條激活12條焊道。在激活一條焊道后，首先輸入焊接能量，然后能量釋放，最后自然冷卻。當(dāng)12道焊接焊完后，還需進(jìn)行最后穩(wěn)態(tài)計(jì)算，此時(shí)，時(shí)間歷程的影響又關(guān)閉，溫度場達(dá)成平衡。有限元模擬焊接過程的具體流程見表1。表1有限元模擬焊接流程5殘存應(yīng)力計(jì)算成果及對(duì)比分析應(yīng)力場計(jì)算時(shí)，將模型中的熱單元PLANE55換成構(gòu)造單元PLANE182，加入材料的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化特性，定義邊界條件，即將上部驅(qū)動(dòng)桿行程殼體截面（模型右端面）固定約束，打開分析選項(xiàng)中的完全牛頓-拉佛森（fullNewton-Raphson）辦法，調(diào)入溫度場進(jìn)行應(yīng)力場計(jì)算。在調(diào)入溫度場時(shí)，需對(duì)應(yīng)于溫度場計(jì)算時(shí)的時(shí)刻進(jìn)行焊道單元的生或死激活。在9626秒的溫度應(yīng)力計(jì)算完后，還需將構(gòu)造材料溫度升到288℃（500℉），以計(jì)算得到CRDM耐壓殼Ω密封焊縫在運(yùn)行工況下的殘存應(yīng)力5.1計(jì)算成果對(duì)殘存應(yīng)力計(jì)算成果提取了6條途徑（見圖5）上的徑向殘存應(yīng)力分布和環(huán)向殘存應(yīng)力分析分布，分別列于圖6和圖7。圖5分析途徑位置圖圖6徑向殘存應(yīng)力沿途徑分布圖圖7環(huán)向殘存應(yīng)力沿途徑分布圖5.2成果對(duì)比分析美國公司計(jì)算的徑向、環(huán)向殘存應(yīng)力沿途徑分布圖分別見圖8和圖9。圖8美國公司計(jì)算的徑向殘存應(yīng)力沿途徑分布圖圖9美國公司計(jì)算的環(huán)向殘存應(yīng)力沿途徑分布圖美國公司以途徑4的計(jì)算成果進(jìn)行了斷裂力學(xué)分析，因此，本課題也以途徑4的計(jì)算成果與美國公司的計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比成果可見，其極值點(diǎn)的最大偏差為9.7%，下列幾個(gè)方面都會(huì)引發(fā)成果偏差：.構(gòu)造尺寸有從國際單位到英制單位有誤差；.材料特性從英制單位到國際單位有誤差；.有限元網(wǎng)格劃分不一致；.能量轉(zhuǎn)換有誤差，接觸單元捏合壓力轉(zhuǎn)換有誤差。本課題的4個(gè)途徑的計(jì)算成果與美國