壓載水過(guò)濾器濾筒支座焊接順序優(yōu)化分析

曲瑞波，郭雨菲，徐少可

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 河南洛陽(yáng) 471000

1 序言

國(guó)際海事組織（IMO）頒布的《國(guó)際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》于2017年9月8日正式生效，2019年1月22日起在我國(guó)正式生效，壓載水處理系統(tǒng)作為海洋環(huán)保領(lǐng)域的重要設(shè)備已經(jīng)得到了大批量安裝。自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器作為大多數(shù)壓載水處理系統(tǒng)前處理的關(guān)鍵設(shè)備，影響著壓載水處理系統(tǒng)性能正常發(fā)揮[1]。壓載水過(guò)濾器依據(jù)工作原理主要分為直接反沖洗式過(guò)濾器和吸吮掃描式反沖洗過(guò)濾器兩種，本文所述的自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器為吸吮掃描式自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器[2]。徐莉萍等[3]對(duì)船舶壓載水過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明，仿真技術(shù)可以為過(guò)濾器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。王全柱等[4]對(duì)影響船舶壓載水過(guò)濾器運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的要素進(jìn)行了分析研究，提出過(guò)濾器結(jié)構(gòu)是制約過(guò)濾器壽命的關(guān)鍵因素，因此研究如何有效提高壓載水過(guò)濾器的生產(chǎn)制造效率也很重要。吸吮掃描式過(guò)濾器中濾筒支座結(jié)構(gòu)一般是通過(guò)先焊接成形留出余量再進(jìn)行機(jī)械加工，故對(duì)濾筒支座結(jié)構(gòu)焊接順序和焊接變形進(jìn)行研究，對(duì)于過(guò)濾器生產(chǎn)制造效率的提高是很有必要的。

基于有限元理論的仿真計(jì)算方法主要有兩種：一種是熱彈塑性法；另一種是基于固有應(yīng)變的彈性有限元法，二者都能夠一定程度上計(jì)算預(yù)測(cè)構(gòu)件的焊接變形[5-7]。梁偉等[8]研究了薄板的焊接結(jié)構(gòu)變形，改進(jìn)了固有變形法，計(jì)算結(jié)論和彈塑性法結(jié)論基本一致。MALIK等[9]研究了焊接順序的差異在焊接過(guò)程中是如何影響其結(jié)構(gòu)變形的；LEE等[10]研究了焊接殘余應(yīng)力隨殼體結(jié)構(gòu)尺寸差異出現(xiàn)的變化，歸納出板材厚度對(duì)于薄壁殼體焊接殘余應(yīng)力計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的不同結(jié)果。WARMEFJORD等[11]通過(guò)試驗(yàn)表明了零件定位偏差對(duì)焊后尺寸的改變，同時(shí)指出最后的裝配偏差與零件、夾具精準(zhǔn)度及由焊接引起的變形有密切關(guān)系。RENZI等[12]分別用熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法研究了零件尺寸公差及在熱輸入存在波動(dòng)的情況下鋁板的焊接角變形情況，并比較了兩種方法在計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間方面的優(yōu)劣性。本文運(yùn)用ANSYS軟件，利用熱彈塑性方法對(duì)過(guò)濾器濾筒支座的6種焊接順序進(jìn)行了模擬分析，通過(guò)對(duì)比不同計(jì)算結(jié)果，分析得出濾筒支座的最優(yōu)焊接順序，為壓載水過(guò)濾器生產(chǎn)制造提供有價(jià)值的理論依據(jù)。

2 濾筒支座物理模型的建立

2.1 有限元模型的建立

濾筒支座由3個(gè)零件組合焊接而成，焊縫形式為角焊縫。零件1為環(huán)形板，材質(zhì)為Q355R鋼，尺寸為（φ888～φ677）mm×30mm。零件2為圓柱形，材質(zhì)為S31603鋼，尺寸為（φ673～φ645）mm×60mm。零件3為環(huán)形板，材質(zhì)為S31603鋼，尺寸為（φ643～φ570）mm×23mm。濾筒支座組焊件的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濾筒支座組焊件

由于實(shí)體模型尺寸過(guò)大，有限元分析計(jì)算時(shí)網(wǎng)格太多，比較耗時(shí)，所以有限元模擬時(shí)采用1/4軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 單元選擇和網(wǎng)格劃分

為保證焊接強(qiáng)度，設(shè)計(jì)零件焊接部位坡口形式為單邊V形。計(jì)算過(guò)程中材料假定為各向同性，焊接速度固定不變，不考慮焊縫熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及攪拌、對(duì)流。先選用熱單元Solid70和板單元Plane55進(jìn)行濾筒支座焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算，完畢后再選用單元Solid185進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)的分析模擬。仿真計(jì)算是通過(guò)有限元軟件ANSYS，基于焊接熱物理方程，采用熱-力間接耦合算法對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行研究。首先計(jì)算焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，其次將焊接加熱和冷卻過(guò)程的溫度場(chǎng)讀入，作為熱載荷施加到模型上進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力計(jì)算[13，14］。

綜合權(quán)衡計(jì)算量和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)有限元模型的網(wǎng)格尺寸選擇為5mm。對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)劃分網(wǎng)格，最終總的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為26574R，單元個(gè)數(shù)為21522R。濾筒支座模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.3 材料特性

材料的熱溫度和力學(xué)性能都是與材料溫度相關(guān)聯(lián)的函數(shù)，參數(shù)設(shè)定直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。焊接過(guò)程中溫度的突變會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的材料非線性，ANSYS計(jì)算過(guò)程中材料物理參數(shù)的獲得方法是通過(guò)已有的幾個(gè)定溫度點(diǎn)的對(duì)應(yīng)數(shù)值，由線性插值法計(jì)算得到[15]。模擬采用的材料有兩種，分別為Q355R鋼和S31603鋼，性能隨溫度的變化見(jiàn)表1和表2。

表1 Q345R鋼熱物理及力學(xué)性能

表2 S31603鋼熱物理及力學(xué)性能

2.4 焊接參數(shù)選取和熱源模型的選擇

濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)采用GTAW手工氬弧焊，焊絲材料為ER309LMo，φ3.2mm，焊接電流為180A，電弧電壓為20V，焊接速度為2mm/s，焊接熱效率為0.75，電弧有效加熱半徑為6mm，室溫設(shè)定為20℃。

焊接時(shí)，電弧熱源需要通過(guò)一定的作用面積才能夠把熱量傳遞給工件，這個(gè)作用區(qū)域也稱為加熱斑點(diǎn)。加熱斑點(diǎn)上熱量分布是不均勻的，中心熱量多而邊緣相對(duì)少。

熱源模型采用高斯模型。其中，電弧熱功率為

式中U——電弧電壓（V）；

I——焊接電流（A）；

k——焊接熱效率。

加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度為

式中r——加熱半徑（mm）。

3 不同焊接順序下變形模擬計(jì)算

3.1 濾筒支座焊接順序的確定

對(duì)濾筒支座結(jié)構(gòu)件的4條焊縫進(jìn)行編號(hào)，如圖4所示。依據(jù)焊接次序的不同能夠得到6種焊接方案，具體見(jiàn)表3。

圖4 焊縫編號(hào)

表3 6種方案的焊接順序

3.2 焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

溫度場(chǎng)計(jì)算完畢后，為下一步預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與變形打下基礎(chǔ)。熱源經(jīng)過(guò)時(shí)，焊件溫度快速升高，直至最大值；熱源經(jīng)過(guò)后，焊件溫度則迅速下降，并且溫度下降速度逐漸放緩，最終趨于環(huán)境溫度。濾筒支座組件焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)如圖5所示。

圖5 濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

隨著濾筒支座組件焊接過(guò)程的不斷推進(jìn)，能夠發(fā)現(xiàn)前一道焊縫的焊接殘余應(yīng)力集中區(qū)域緩慢縮小，其應(yīng)力峰值也緩慢降低，當(dāng)焊接加工結(jié)束后焊接的焊縫周圍屬于應(yīng)力峰值區(qū)域主要集聚區(qū)。焊接過(guò)程中熱量主要集中在焊縫區(qū)域，隨著焊條和母材的不斷熔化，焊接殘余應(yīng)力主要由材料的膨脹造成。計(jì)算結(jié)論顯示，焊接順序?qū)附討?yīng)力的影響很小，6種焊接方案得到的應(yīng)力分布近似相同，等效應(yīng)力集中在焊縫區(qū)域，最高值為1040MPa，已經(jīng)達(dá)到材料的屈服極限，如圖6所示。

圖6 支座焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)

3.4 焊接變形分析

對(duì)濾筒支座進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力模擬分析，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致，不同的焊接方案都有明顯的焊接變形，但是各方案中焊接變形差異并不大。6種方案的焊接變形見(jiàn)表4，從表中可以發(fā)現(xiàn)，方案3中焊接順序的變形相對(duì)較小，綜合殘余應(yīng)力可認(rèn)為方案3中構(gòu)件的焊接質(zhì)量最好。據(jù)此計(jì)算數(shù)據(jù)，設(shè)定濾筒支座零件豎直方向上的機(jī)加工余量預(yù)留為3mm，在后續(xù)過(guò)濾器生產(chǎn)制造過(guò)程中，針對(duì)零件2和零件3的焊后加工都能順利完成，因此可認(rèn)為有效驗(yàn)證了模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)于過(guò)濾器濾筒支座的焊接和機(jī)加工具有指導(dǎo)意義，有助于提高過(guò)濾器生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

表4 不同方案的最大焊接變形量 （mm）

4 結(jié)束語(yǔ)

1）基于ANSYS采用間接法所進(jìn)行的濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)過(guò)程模擬分析是有效的，計(jì)算結(jié)果表明，在熔合區(qū)焊接殘余應(yīng)力達(dá)最大值，焊根處殘余應(yīng)力較?。辉跓嵊绊憛^(qū)殘余應(yīng)力變化較大。

2）計(jì)算結(jié)果表明，基于ANSYS進(jìn)行的過(guò)濾器濾筒支座焊接結(jié)構(gòu)模擬分析能夠?yàn)檫^(guò)濾器其他類似結(jié)構(gòu)加工余量的預(yù)留提供理論數(shù)據(jù)支撐，有助于壓載水過(guò)濾器生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。