無加強(qiáng)型等徑焊接三通應(yīng)力有限元分析

劉豐懷，王太茂，穆　琳(濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南　250023)

?

無加強(qiáng)型等徑焊接三通應(yīng)力有限元分析

劉豐懷，王太茂，穆琳
(濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250023)

摘要:應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對150 t/h生物燃料鍋爐中無加強(qiáng)型式等徑焊接三通在承受內(nèi)壓情況下的應(yīng)力進(jìn)行計算和分析，得到不同焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度情況下該三通模型的應(yīng)力分布規(guī)律，為焊接三通生產(chǎn)中選取最佳焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度，保證三通的安全使用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:焊接三通; ANSYS;有限元;應(yīng)力分析

濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司出口巴基斯坦的150 t/h生物燃料鍋爐中，三級過熱器出口集箱采用了等徑三通結(jié)構(gòu)，其材料類型為SA335－P91鋼，該種材料廣泛應(yīng)用在超臨界大型水管鍋爐中。但是等徑三通主管和支管相貫而失去了原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，也使三通結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和分布比較復(fù)雜。無加強(qiáng)型焊接三通對焊縫加強(qiáng)提出了更高的要求。本文應(yīng)用ANSYS軟件，對等徑焊接三通在不同焊縫高度下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。

1有限元分析

1．1焊接三通幾何結(jié)構(gòu)

三級過熱器出口集箱采用的等徑三通幾何結(jié)構(gòu)及實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2焊接三通計算模型

該焊接三通采用全焊透形式進(jìn)行焊制，因此可將三通簡化為兩個圓筒體正交相貫結(jié)構(gòu)，并考慮焊縫加強(qiáng)的影響。以1∶1的比例建立實(shí)體模型以減小計算誤差，選用的單元類型為三維8節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)固體單元( solid185)。該單元每個節(jié)點(diǎn)包含3個自由度，能合理的模擬鋼的應(yīng)變和變形，科學(xué)的描述焊接三通在內(nèi)力作用下的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖1焊接三通幾何結(jié)構(gòu)圖

為了計算方便快捷，ANSYS有限元軟件可按區(qū)域劃分不同大小的單元。在應(yīng)力較簡單的區(qū)域(遠(yuǎn)離相貫區(qū))劃分較大的單元，在相貫區(qū)域增加單元劃分密度［1－3］。該模型將焊接三通劃分為20 004個節(jié)點(diǎn)和86 392個單元進(jìn)行數(shù)值計算模擬，如圖2所示。1．3焊接三通計算參數(shù)

圖2焊接三通模型網(wǎng)格圖

該鍋爐過熱器集箱設(shè)計工作壓力為12．8 MPa，工作溫度為500℃。為便于模型計算分析，假設(shè)焊接三通在該工作環(huán)境下未發(fā)生材料塑性變形，即材料的應(yīng)力和應(yīng)變呈線性相關(guān)。SA335－P91鋼的材料力學(xué)性能參數(shù)為:彈性模量E =164 GPa，泊松比μ=0．29，環(huán)境溫度500℃時的屈服極限σs=144 MPa，許用應(yīng)力［σ］=95．9 MPa［4］。集箱設(shè)計工作壓力12．8 MPa，則等徑三通內(nèi)表面所受均布荷載p=12．8 MPa。三通主管、支管出口邊界截面的軸向約束力為拉應(yīng)力σ=17．9 MPa。且三通僅受內(nèi)力作用，外表面無其他外力作用，故在三通主管、支管出口邊界截面上施加徑向約束。

2焊接三通計算分析

運(yùn)用有限元分析焊接三通在不同的焊縫補(bǔ)強(qiáng)下應(yīng)力的變化規(guī)律。在其他條件和參數(shù)不變的情況下，采用5種不同的焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度: 0、1、5、10、20 mm。對5種焊縫補(bǔ)強(qiáng)形式下的焊接三通分別建模并進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出各形式下的焊接三通應(yīng)力分布情況，從而得到三通安全使用所需的最小焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度。

一般材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，以流動形式破壞時，材料表現(xiàn)為屈服失效，可用第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論進(jìn)行解釋。ANSYS有限元軟件采用von mises屈服準(zhǔn)則對實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)值計算模擬，其模擬計算結(jié)果可提供模型受外力作用時的第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)度( stress intensity)和等效應(yīng)力( von mises stress)，其中應(yīng)力強(qiáng)度和等效應(yīng)力分別遵循第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論。結(jié)合焊接三通的安全性和持久性，選用stress intensity和von mises stress兩種理論計算結(jié)果對焊接三通應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析［5－6］。

焊接三通在主管、支管交接處結(jié)構(gòu)不連貫，幾何形狀發(fā)生突變，當(dāng)承受內(nèi)部壓強(qiáng)時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且主管、支管交接處附近的應(yīng)力水平往往是直管段的數(shù)倍［7－8］。因此，主要針對主管、支管交接線附近的應(yīng)力分布進(jìn)行分析。

在主管、支管內(nèi)壁和外壁交接線上，從支管末端到三通肩部再到支管另一端末端方向均勻的選取33 和31個節(jié)點(diǎn)作為檢測點(diǎn)，對4種焊縫形式下的三通內(nèi)壁和外壁交接線上的應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示。

圖3三通交接線內(nèi)壁應(yīng)力分布

從圖3可以看出，兩種強(qiáng)度理論算得在三通肩部內(nèi)壁上應(yīng)力變化明顯，其局部應(yīng)力是肩部周圍結(jié)構(gòu)應(yīng)力的數(shù)倍。隨著焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，三通主管、支管交接線附近的應(yīng)力并無明顯變化。因此，在三通外表面采取加強(qiáng)措施，對三通內(nèi)表面的應(yīng)力分布并無太大影響。考慮到該位置幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)，具有很明顯的棱角效應(yīng)，因此，可基本斷定三通肩部內(nèi)壁附近產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。針對脆性材料，應(yīng)力集中現(xiàn)象將一直保持到最大局部應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限之前，設(shè)計脆性材料構(gòu)件需要考慮應(yīng)力集中的影響。而對于塑性材料，應(yīng)力集中對其在靜荷載作用下的強(qiáng)度幾乎無影響。這種局部的尖峰應(yīng)力并不能完全決定三通承受靜壓力的強(qiáng)度，因此，對于三通局部發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象可不考慮。但是，兩種強(qiáng)度理論計算出的三通肩部局部尖峰應(yīng)力達(dá)到190 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料在500℃溫度時的屈服極限，說明三通肩部內(nèi)壁不連續(xù)部位發(fā)生了屈服，出現(xiàn)了二次應(yīng)力。二次應(yīng)力具有自限性，局部的屈服和小變形就可以使變形連續(xù)要求得到滿足，從而變形不再擴(kuò)大。因此，三通肩部強(qiáng)度能否滿足要求，關(guān)鍵是要綜合考慮肩部位置外壁和內(nèi)壁應(yīng)力分布情況。三通交接線外壁應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4三通交接線外壁應(yīng)力分布

從圖4可以看出，三通肩部外壁附近的應(yīng)力比較小，未補(bǔ)強(qiáng)時兩種強(qiáng)度理論計算出的應(yīng)力為70～80 MPa，不足內(nèi)壁峰值應(yīng)力的一半，也低于材料的許用應(yīng)力95．9 MPa。因此，雖然三通肩部內(nèi)壁局部結(jié)構(gòu)屈服了，但是對三通總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并無決定性影響。圖4中隨著焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，焊接三通肩部外壁附近的應(yīng)力分布得到明顯改善，當(dāng)焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度為20 mm時，其局部應(yīng)力由未補(bǔ)強(qiáng)的70～80 MPa減小為40～50 MPa，該處強(qiáng)度明顯增強(qiáng)并改善了其應(yīng)力分布。但是隨著焊縫補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，三通腹部附近的應(yīng)力并無明顯變化，說明僅補(bǔ)強(qiáng)主管、支管交接線上的焊縫高度對三通腹部的應(yīng)力分布無明顯影響。由圖4看出，焊接三通腹部附近外壁的應(yīng)力達(dá)到90～100 MPa，已接近甚至超出材料許用應(yīng)力。該區(qū)域并無明顯的幾何形狀、外形尺寸突變，也就不是應(yīng)力集中引起該處的峰值應(yīng)力偏大，而是由其本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠?qū)е略撎帒?yīng)力比附近的應(yīng)力大。三通腹部附近內(nèi)壁應(yīng)力為30～40 MPa，比外壁應(yīng)力要小得多，說明該三通腹部外壁的應(yīng)力分布決定了該三通的總體承載能力。三通腹部附近的應(yīng)力已經(jīng)接近甚至超過了材料本身的許用應(yīng)力，所以要對該區(qū)域采取加強(qiáng)措施。圖5是隨著補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，三通腹部附近的最大應(yīng)力變化情況。

圖5三通腹部外壁應(yīng)力分布

由圖5看出，隨著腹部補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，其最大應(yīng)力明顯減小，說明補(bǔ)強(qiáng)高度越大，三通腹部承受能力越強(qiáng)。但是并不能說明補(bǔ)強(qiáng)高度越高，三通整體承受能力越強(qiáng)。一方面是因?yàn)殡m然腹部承受能力增強(qiáng)了，但是腹部之外的其他部分并不會增強(qiáng)，因此成為三通總體承受能力新的制約因素;另一方面，三通腹部補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，會使三通幾何外形及尺寸產(chǎn)生突變而發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)不到焊縫補(bǔ)強(qiáng)的預(yù)期效果。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)高度達(dá)到1 mm時，其最大應(yīng)力＜90 MPa，也就小于材料的許用應(yīng)力95．9 MPa。說明三通腹部補(bǔ)強(qiáng)高度＞1 mm時就可以滿足三通承載能力的需要。在計算過程中發(fā)現(xiàn)，隨著補(bǔ)強(qiáng)高度的增加，三通底部局部最大應(yīng)力始終保持在80 MPa左右。結(jié)合圖4數(shù)據(jù)得出，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)高度＞2 mm時，三通腹部的強(qiáng)度不再是三通總體承載能力的制約因素。相關(guān)試驗(yàn)也證明［9－10］，當(dāng)三通肩部和腹部采取焊縫結(jié)構(gòu)改善三通總體承載能力后，三通主管底部附近的應(yīng)力分布將成為三通承載能力新的制約因素。

3　結(jié)語

1)利用ANSYS有限元軟件通過第三強(qiáng)度理論公式和第四強(qiáng)度理論公式算得的應(yīng)力差為10%～15%，而實(shí)際上，第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論的理論值差最大為15%。說明計算過程和結(jié)果可靠，所建有限元模型合理。

2)等徑焊接三通在承受靜壓力時，其肩部內(nèi)壁附近易產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生屈服，屈服后引起二次應(yīng)力，因此要注意肩部外壁的應(yīng)力分布情況，當(dāng)其應(yīng)力較大時，要采取適當(dāng)措施進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3)制約等徑焊接三通承受能力的因素一般是三通腹部的承載能力，可根據(jù)情況進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。針對本焊接三通，為滿足其承載能力的需要，在腹部堆焊1～2 mm并增加焊寬，施焊要圓滑過渡到三通其他部位以減小幾何突變避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn):

［1］博嘉科技．有限元分析軟件———ANSYS融會與貫通［M］．北京:中國水利水電出版社，2002．

［2］張朝暉．ANSYS12．0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］．3版．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［3］蔣孝煜．有限元基礎(chǔ)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1992．

［4］李勇軍．大徑厚壁P91三通管焊接及熱處理工藝探討［J］．電焊機(jī)，2007，37( 10) : 66－69．

［5］王長利．焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬［D］．沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2005．

［6］李冬林．焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2003．

［7］曹海兵，江楠．大型厚度等徑焊接三通應(yīng)力的有限元分析［J］．化工機(jī)械，2008，35( 4) : 216－219．

［8］林其略．厚壁等徑三通應(yīng)力分布的有限元分析［J］．電力技術(shù)，1985，18( 10) : 34－38．

［9］江楠，甄亮，伍圣念．大型后壁等徑焊接三通應(yīng)力測試與爆破試驗(yàn)研究［J］．壓力容器，2007，24( 6) : 1－5．

［10］劉斯嘉．大型90°彎頭應(yīng)力測試與爆破試驗(yàn)研究［J］．化工設(shè)備與管道，2008，45( 5) : 47－50．

(責(zé)任編輯:郭守真)

Finite Element Analysis for Stress of Non-Reinforced
Welding Straight Tee

LIU Fenghuai，WANG Taimao，MU Lin
( Jinan Boiler Group Co．，Ltd．，Jinan 250023，China)

Abstract:The operation condition of the welding straight tee for the 150 t/h biomass fuel boiler is complicated，which has higher requirements for the traditional welding tee process．As a result，this paper applies the ANSYS to calculate and analyze the stress of the non-reinforced welding straight tee under the conditions of bearing the internal pressure，and acquire the stress distribution laws of this tee model under different weld reinforcement heights，which provides the theoretical basis for the selection of the optimal weld reinforcement height to guarantee the safe use of the tee during the welding tee production．

Key words:welding tee; ANSYS; finite element; stress analysis

作者簡介:劉豐懷( 1965—)，男，山東膠南人，工程師，主要研究方向?yàn)殄仩t設(shè)計．

收稿日期:2015－04－27

DOI:10．3969/j．issn．1672－0032．2015．02．015

文章編號:1672－0032( 2015) 02－0078－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TK226．2