輸電塔鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)焊接數(shù)值模擬

張 亮，劉湘蒞，胡 鑫，宋文卓

(國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州450002)

鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)是大跨越輸電塔中常見的節(jié)點(diǎn)形式。它是由主桿與節(jié)點(diǎn)板通過焊接連接在一起。由于焊接過程中高度集中的瞬時(shí)熱輸入產(chǎn)生很大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，致使構(gòu)件產(chǎn)生裂紋，影響結(jié)構(gòu)使用性能。因此，本文利用大型有限元軟件ANSYS，建立鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型，采用熱力耦合分析方法對(duì)鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行焊接數(shù)值模擬，獲得焊接溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，并通過對(duì)焊接應(yīng)力的產(chǎn)生過程的了解和分析，研究殘余應(yīng)力的形成機(jī)理，以為今后實(shí)際工程管板節(jié)點(diǎn)的有效應(yīng)用提供參考。

1 焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法

本文采用了“間接法”進(jìn)行焊接數(shù)值模擬分析求解。

間接法［1］，是先對(duì)熱溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，然后在熱分析中將得到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度作為外部荷載，施加于結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)中。因此通常要在溫度場(chǎng)的模擬比較準(zhǔn)確之后，再保存溫度場(chǎng)求解結(jié)果，以進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。如果獲得的應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果不理想，則不需要再重新進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析，而只需要修改應(yīng)力場(chǎng)中相關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)或者優(yōu)化載荷步長等，重新進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的求解分析計(jì)算，以節(jié)省大量的求解時(shí)間。

2 焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算

2.1 幾何模型的建立

本文以皖電東送淮南至上海特高壓交流線路工程為背景，建立了與該工程中大跨越塔節(jié)點(diǎn)相同尺寸的節(jié)點(diǎn)模型。其中，一個(gè)管板節(jié)點(diǎn)幾何尺寸如圖1所示，管板節(jié)點(diǎn)幾何模型如圖2所示。主管型號(hào)為 φ299×9.0，支管型號(hào)為 φ89×8.0。主管長6D，支管長3D，其中，D為主管直徑，節(jié)點(diǎn)板長度為L=518 mm，節(jié)點(diǎn)板厚度為?=16 mm。

圖1 管板節(jié)點(diǎn)幾何尺寸(單位:mm)Fig．1 Node geometric size of tube plate

圖2 管板節(jié)點(diǎn)幾何模型Fig．2 Node geometric model of tube plate

2.2 定義材料屬性

焊接溫度場(chǎng)分析的熱物理參數(shù):傳熱系數(shù)、密度等;應(yīng)力場(chǎng)分析的熱物理參數(shù)為:彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、屈服應(yīng)力、應(yīng)變硬化模量［2］。本文焊接初始溫度取室溫25℃，節(jié)點(diǎn)主管采用Q345鋼，節(jié)點(diǎn)板采用 Q235 鋼［3－4］，假定焊縫金屬的熱物理參數(shù)與節(jié)點(diǎn)板相同［5－6］，根據(jù)瞬態(tài)熱應(yīng)力分析的需要，考慮鋼管物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化的規(guī)律，可對(duì)缺乏的高溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄M合。各項(xiàng)物理性能參數(shù)如表1、表2所示［7］。

表1 Q235物理性能參數(shù)Tab．1 Q235 parameters physical properties

表2 Q345鋼材料性能參數(shù)Tab．2 Q345 steel material performance parameters

2.3 單元選擇

在 ANSYS的單元庫中，SOLID70、SOLID87、SOLID90三維熱單元具有熱分析直接轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析的功能［9］。

本文采用SOLID70和SOLID90單元進(jìn)行ANSYS有限元溫度場(chǎng)模擬分析，SOLID70單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度，共有8個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，通常適用于三維靜態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，同時(shí)還具有勻速熱流傳遞的功能。這個(gè)單元能夠直接與SOLID45單元等常用的等效結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換。SOLID90單元主要用來模擬彎曲邊界，是SOLID70單元的高階形式。他們的形狀和節(jié)點(diǎn)分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 SOLID70單元幾何參數(shù)Fig．3 SOLID70 unit geometric parameters

圖4 SOLID90單元幾何參數(shù)Fig．4 SOLID90 unit geometric parameters

2.4 網(wǎng)格劃分

由于焊接溫度場(chǎng)在焊縫以及節(jié)點(diǎn)板與主管交匯的局部區(qū)域分布不很均勻，在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)其適當(dāng)?shù)募用埽谶h(yuǎn)離焊縫區(qū)的局部溫度變化則相對(duì)較小，因此網(wǎng)格劃分的時(shí)候，可以適當(dāng)?shù)目s減網(wǎng)格數(shù)量。本文運(yùn)用映射法劃分構(gòu)造體，劃分單元的尺寸應(yīng)該控制在3 mm上下，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的地方也可以采用同樣的方法，劃分單元尺寸最好控制在23 mm上下，節(jié)點(diǎn)中間所連接的區(qū)域同時(shí)采用映射劃分，如圖5、圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)的有限元模型Fig．5 Node finite element model

圖6 焊縫詳圖Fig．6 Weld details

2.5 熱源選擇及施加

2.5.1 熱源模型的選擇

焊接熱源具有在電弧作用下易形成集中特點(diǎn)，同時(shí)伴隨有瞬時(shí)和快速移動(dòng)的特點(diǎn)，因此造成了時(shí)間域和空間域內(nèi)不均勻溫度場(chǎng)較大的梯度，導(dǎo)致在焊后產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力和變形。對(duì)于焊接過程的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬來說，熱源模型的選擇相當(dāng)重要，而且熱源模型會(huì)直接影響到整個(gè)溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的求解精度，所以本文采用角焊縫，并根據(jù)實(shí)際情況選用生死單元內(nèi)部生熱的熱源模式。

2.5.2 熱源的移動(dòng)

在焊接過程中，熱源在鋼體上不斷移動(dòng)，這屬于動(dòng)態(tài)過程。通過ANSYS有限元軟件，將這種動(dòng)態(tài)的過程，轉(zhuǎn)化到離散的時(shí)間域中，并設(shè)定一定的時(shí)間步長，最后利用*DO－*ENDDO語句進(jìn)行循環(huán)加載，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程的模擬。假設(shè)在本研究中焊接速度取為v，焊接一道焊縫的時(shí)間為t，沿焊接方向長度為L，在各段的后點(diǎn)依次加載內(nèi)部熱源所需的時(shí)間為L/v，通過依次在各點(diǎn)加載，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬。

2.6 焊接溫度場(chǎng)的分布

通過ANSYS的通用后處理器POST1功能［8］，我們可以即時(shí)查看焊接溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的過程。同時(shí)也可以運(yùn)用ANSYS軟件生成整個(gè)焊接過程的動(dòng)畫模擬功能，來表示整個(gè)焊接溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程。

以主管為 φ299×9.0，支管為 φ89×8.0的鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)為例，研究溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化的分布。焊縫長為518×2 mm，焊接速度為15 mm/s，焊接時(shí)間為120 s，冷卻至室溫共用時(shí)間為2200 s，其溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程如圖7所示。

圖7 溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程Fig．7 Temperature field changed with the time process

從圖7a—圖7n可以看到，在整個(gè)溫度場(chǎng)焊接加熱過程中的動(dòng)態(tài)變化及等溫線分布的形狀。熱源所到的地方，焊接構(gòu)件迅速升溫，隨著熱源的遠(yuǎn)離，焊接構(gòu)件溫度慢慢降低，最后形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。隨后下一個(gè)熱源中心將重復(fù)上一個(gè)熱源中心的溫度變化歷程。

從圖7o—圖7p可以看到，焊接主管和節(jié)點(diǎn)板經(jīng)過120 s后，構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)入了冷卻階段。隨著熱量不斷地?cái)U(kuò)散傳播，構(gòu)件上的溫度不斷下降，等溫線不斷擴(kuò)大，直至最后各節(jié)點(diǎn)溫度逐漸趨向于室內(nèi)環(huán)境溫度25 ℃［9］。

從整個(gè)焊接過程可以看出，隨著移動(dòng)焊接的熱源中心，熔池不斷變化移動(dòng)，溫度場(chǎng)的分布也跟著發(fā)生了變化，熔池中心溫度可達(dá)1900℃以上，同時(shí)可以看出焊縫附近的區(qū)域等溫線比較稠密，而相對(duì)遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的等溫線就比較稀少，溫度場(chǎng)的分布很不均勻。由于節(jié)點(diǎn)板表面積沒有主管大，因此造成熱量發(fā)散較慢，溫度冷卻也慢一些。最后冷卻時(shí)刻的溫度在25.858℃，與室溫25℃相差在一度之內(nèi)，可以說基本冷卻到了25℃的室溫。

2.7 沿路徑各點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線

以焊縫為中心依次選取模型主管上的7個(gè)節(jié)點(diǎn)，其溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

從圖8中可以得出，在整個(gè)焊接過程中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化非常不均勻。在過程初級(jí)階段溫度變化快，升降也劇烈，隨后逐漸變平緩，最后降至室溫25℃，所以焊縫周圍區(qū)域的溫度變化較快，而距離焊縫區(qū)域稍遠(yuǎn)處溫度則變化較慢，與實(shí)際情況基本符合，表明了焊接溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。

圖8 節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線Fig．8 Curve of node temperature change with time

3 焊接應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算

3.1 焊接應(yīng)力場(chǎng)的分布

在進(jìn)行焊接應(yīng)力場(chǎng)和殘余變形的計(jì)算分析中，不需要再重新建立模型，而是直接采用在溫度場(chǎng)中的計(jì)算有限元模型，這就需要先將熱單元轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，也就是熱單元solid70和solid90轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元solid45［9］。

在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析。下面主要研究構(gòu)件焊接完后多產(chǎn)生殘余應(yīng)力的有關(guān)分布情況。應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程如圖9所示。

圖9 應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化過程Fig．9 Process of stress field with time varying

從圖9中可以看出，焊縫以及其附近的區(qū)域殘余應(yīng)力較大且分布范圍也集中，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，則殘余應(yīng)力非常小。因?yàn)楹附訌募訜岬嚼鋮s時(shí)間很短，熱量傳播時(shí)間也很短，傳播到周圍的熱量就變得很少，所以溫度就變得較低，應(yīng)變也較小，殘余應(yīng)力就較小，這與焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)基本相符。

為了更充分地顯示節(jié)點(diǎn)殘余應(yīng)力分布特征，特提取出鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)橫向殘余應(yīng)力分布，如圖10所示。

從圖10可以看出，橫向殘余應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)板兩端處有很小的壓應(yīng)力，其他部分均為拉應(yīng)力。這表明在焊縫冷卻時(shí)，焊縫區(qū)域由于被塑性壓縮，則趨于縮短，而受到兩側(cè)鋼材的限制，則產(chǎn)生拉應(yīng)力。這與理論中的焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)相符，證明了該種模擬方法的準(zhǔn)確性。

3.2 焊接殘余變形特點(diǎn)

鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)的殘余變形如圖11所示。

圖11 焊接殘余變形Fig．11 Welding residual deformation

從圖11中可以看出，焊縫以及附近區(qū)域產(chǎn)生了較大的收縮變形。這是由于焊縫區(qū)域受拉，焊縫也比較集中，因此致使鋼管－板連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了收縮變形。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，把不同時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況進(jìn)行求解模擬分析，得出了以下結(jié)論。

1)從整個(gè)焊接過程可以看出，隨著移動(dòng)焊接的熱源中心，熔池也伴隨著熱源不斷變化移動(dòng)，溫度場(chǎng)的分布也隨著發(fā)生了變化。熔池中心溫度可達(dá)1900℃以上，非常高，溫度場(chǎng)的分布也非常復(fù)雜。

2)通過分析不同時(shí)間、焊縫中心線上沿焊接方向的不同各點(diǎn)的溫度分布曲線，可以得出焊接溫度場(chǎng)基本符合焊接理論中的分布。同時(shí)也證明了ANSYS單元的生死功能。

3)焊接過程中，各點(diǎn)的溫度變化發(fā)展情況非常不規(guī)律，在主管與主板交匯的焊縫區(qū)域，溫度變化速度較快，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域各點(diǎn)溫度變化速度較慢。

4)主管與節(jié)點(diǎn)板交匯處的焊縫附近，殘余應(yīng)力主要呈周期性變化發(fā)展，主要部分區(qū)域殘余應(yīng)力出現(xiàn)最大值。在遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)域后，焊接殘余應(yīng)力值會(huì)迅速變小。

5)運(yùn)用ANSYS生死單元技術(shù)，即一次生一道焊縫的所有單元，可以很好地模擬焊接過程。利用ANSYS的“熱－結(jié)構(gòu)”耦合功能可將不均勻的熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)冷卻后的殘余應(yīng)力，較好地模擬出鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)通過焊接殘余應(yīng)力在加熱和冷卻過程中的瞬態(tài)變化，證明得到生死單元技術(shù)模擬焊接過程是可行的。

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