海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)Y型管節(jié)點(diǎn)焊接應(yīng)力分析

文|施勇，姜貞強(qiáng)，李玉剛，王濱

生死單元法是指如果模型中加入或刪除材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在”或“消亡”，單元生死選項(xiàng)用于在上述情況下殺死或重新激活選擇的單元。在具體問(wèn)題中，單元的生死狀態(tài)可以由Ansys的計(jì)算數(shù)值決定，如溫度、應(yīng)力或應(yīng)變等?；谏绬卧暮附訜嵩醇虞d模型就是利用Ansys技術(shù)，用生熱率的形式來(lái)模擬熱量的輸入，從而模擬焊接過(guò)程。本文選取海上風(fēng)電機(jī)組樁基基礎(chǔ)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)Y型焊接管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，運(yùn)用Ansys對(duì)焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬研究，通過(guò)生死單元法，逐步激活單元并施加熱量，從而實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)，得到任意時(shí)刻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)焊接殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析，得到焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)。

焊接過(guò)程模擬

焊接過(guò)程中一般無(wú)外力作用，殘余應(yīng)力主要由焊接過(guò)程中不均勻熱循環(huán)作用引起，所以焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算是進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析的前提，將瞬態(tài)溫度場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)作為體荷載加到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，從而得到焊接過(guò)程的瞬態(tài)應(yīng)力場(chǎng)及最終的殘余應(yīng)力場(chǎng)。

因高溫及溫度劇烈變化，焊接過(guò)程中材料的熱物理性能改變將導(dǎo)致傳熱過(guò)程嚴(yán)重非線性；此外，焊接過(guò)程中還涉及金屬的熔化、凝固、液固相傳熱以及相變潛熱等現(xiàn)象，極為復(fù)雜，因此本文分析只考慮主要的影響因素。對(duì)Y型節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力的研究作幾點(diǎn)簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化構(gòu)件幾何支座和加載條件；將非線性熱彈性-粘塑性模型簡(jiǎn)化為熱彈塑性模型；忽略應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的單向耦合；忽略缺陷和裂紋的影響；認(rèn)為材料的屈服服從米塞斯屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動(dòng)準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則；假定與溫度有關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)谖⑿〉臅r(shí)間增量?jī)?nèi)線性變化。

對(duì)于焊接過(guò)程來(lái)講，在熔焊的條件下，由熱源傳遞給焊件的熱量，主要是以輻射和對(duì)流為主，而母材和焊條獲得熱能后，熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過(guò)程所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時(shí)間的溫度變化問(wèn)題。因此，焊接溫度場(chǎng)是以熱傳導(dǎo)為主。由于高度集中的瞬態(tài)熱量輸入，在焊接過(guò)程中和焊接完成后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形計(jì)算是以焊接溫度場(chǎng)的分析為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮焊接區(qū)溫度場(chǎng)變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響。

焊接溫度場(chǎng)的模擬

假設(shè)焊縫數(shù)值模擬初始環(huán)境溫度為30℃，不考慮熔池焊接過(guò)程的相變潛熱，焊接熱源以生熱率的方式施加，構(gòu)件與周圍環(huán)境只進(jìn)行對(duì)流換熱。

圖1 常見(jiàn)的三樁導(dǎo)管架中的Y型管節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)格劃分

一、建立幾何模型

海上風(fēng)電機(jī)組樁基結(jié)構(gòu)中Y型焊接管節(jié)點(diǎn)起主要支撐作用，此種焊接管節(jié)點(diǎn)在海上風(fēng)電機(jī)組樁基中較為常見(jiàn)。主管外焊接三個(gè)支管，本示例主管直徑φ630cm×8cm，支管直徑φ260cm×4.4cm，其幾何模型和單元?jiǎng)澐智闆r如圖1所示。

二、網(wǎng)格劃分

溫度場(chǎng)在焊縫及其附近分布十分不均勻，應(yīng)加密網(wǎng)格；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度變化相對(duì)較小，可以適當(dāng)減少網(wǎng)格的數(shù)量。本文網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，焊縫區(qū)單元尺寸大小控制在4mm左右，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的單元尺寸控制在20mm左右。熱分析單元采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID70，焊縫及周圍采用三維二十節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID90，以便在結(jié)構(gòu)分析時(shí)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元SOLID95，模擬焊縫熔化。

最終，我的答案是假如有人將這只天下大第一壺送給我，我不要，白送我也不要?；蛴腥苏f(shuō)：它的做工很精致呀，是由10余名工匠歷時(shí)7個(gè)多月制成的。是的，可這又怎么樣？既然無(wú)用，精制與粗制就沒(méi)有什么區(qū)別。在廢品上雕上畫還是廢品?；蛴腥苏f(shuō)，用掉上乘紫砂土1.5噸呢。是的，可這又怎么樣？既然同樣無(wú)用，材料是上乘的還是低劣的就沒(méi)有什么區(qū)別?；蛴腥苏f(shuō)，它是當(dāng)今世界最大的紫砂壺，是天下第一壺呀。是的，可最大又怎么樣？天下第一又怎么樣？無(wú)用的最大就是最大的無(wú)用。天下第一壺就是天下第一無(wú)用壺，這有什么值得炫耀的嗎？

三、選擇材料屬性

（一）材料熱物理參數(shù)

材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有明顯的變化，如表1所示。本文在模擬過(guò)程中初始溫度場(chǎng)溫度設(shè)置為30℃。

圖2 焊接46s的溫度場(chǎng)

表1 Q345鋼材熱物理性能參數(shù)

（二）材料的力學(xué)性能參數(shù)

材料的力學(xué)特性會(huì)在不同的溫度時(shí)呈現(xiàn)不同的特性，特別是彈性模量和屈服強(qiáng)度的變化很顯著，這對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大。Q345鋼在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

四、焊接熱源的施加

隨著焊接過(guò)程的逐步進(jìn)行，熱源也在被焊接的構(gòu)件上不斷移動(dòng)?？衫肁nsys軟件中的APDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)態(tài)過(guò)程：將空間上連續(xù)的運(yùn)動(dòng)在Ansys中轉(zhuǎn)化到離散的時(shí)間域中，通過(guò)設(shè)定一定的時(shí)間步長(zhǎng)，利用循環(huán)語(yǔ)句加載即可。將焊縫分為若干段，在各段依次加載內(nèi)部熱源。當(dāng)下一段開(kāi)始加載熱源時(shí)，消除上一段施加的熱生成率，將上一段加載所得到的溫度場(chǎng)作為下一次加載的初始條件。依次在各段加載可模擬移動(dòng)的焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)。

五、焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果

焊接過(guò)程分內(nèi)外兩道焊縫。第一道焊縫完成后，中間冷卻40s，待溫度降至200℃以內(nèi)時(shí)，再進(jìn)行第二道焊縫的焊接過(guò)程。當(dāng)焊接完成時(shí)，冷卻至室溫。圖2為焊接時(shí)間為46s時(shí)熱源在該處焊縫的溫度場(chǎng)分布情況，可見(jiàn)未焊接的地方溫度維持在30℃，而熱源處溫度達(dá)到1800℃以上。由圖3可以看出在第一道焊縫焊接結(jié)束冷卻40s后，焊縫處溫度降為200℃以下，即可以開(kāi)始第二道焊縫的焊接。

圖3 第一道焊接完成冷卻40s時(shí)的溫度場(chǎng)

表2 Q345鋼材力學(xué)性能參數(shù)

圖4為熱源運(yùn)動(dòng)過(guò)程中焊縫處的溫度場(chǎng)情況，可見(jiàn)熱源處焊縫溫度達(dá)到2500℃以上。圖5為冷卻至30℃時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況，可以看出焊接構(gòu)件經(jīng)過(guò)1600s冷卻后，結(jié)構(gòu)整體溫度趨于初始溫度。

焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬

圖4 第二道焊縫焊接460s時(shí)的溫度場(chǎng)

在Ansys模擬焊接殘余應(yīng)力時(shí)，需要在確保焊接溫度場(chǎng)正確后，將溫度場(chǎng)的模型轉(zhuǎn)化為應(yīng)力求解模型，從而實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬。

焊接應(yīng)力場(chǎng)和殘余變形計(jì)算，不需要再重新建立模型，而是采用溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)的網(wǎng)格模型，但須將熱單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，因此所用的SOLID70和SOLID90單元都有等效的結(jié)構(gòu)單元，分別是SOLID45和SOLID95。

一、約束條件和荷載條件的施加

約束條件的加入是為了確保有限元模型正常計(jì)算，不出現(xiàn)可變體系。施加約束條件須適當(dāng)，不能過(guò)強(qiáng)也不能過(guò)弱，這樣才能保證焊接過(guò)程中應(yīng)力和變形自由釋放。焊接管節(jié)點(diǎn)施加的約束如圖6所示，在主管的左端位置1限制所有的約束；位置2限制其轉(zhuǎn)角；在支管的位置3限制轉(zhuǎn)角。

通過(guò)Ansys的通用后處理器POST1程序，可以詳細(xì)地查看焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化及對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)情況。這是由焊接單元逐步被激活過(guò)程決定的，應(yīng)力場(chǎng)求解單元的激活順序和激活時(shí)間要求相同。初始溫度場(chǎng)也設(shè)定為30℃。

焊接過(guò)程溫度變化大并且溫度梯度也大，可以使焊接金屬處于熔化狀態(tài)。結(jié)構(gòu)零應(yīng)力狀態(tài)指不包含應(yīng)力和應(yīng)變。這一過(guò)程可以采用單元生死技術(shù)進(jìn)行模擬，當(dāng)溫度場(chǎng)的溫度超過(guò)熔點(diǎn)（1500℃）時(shí)，將這些單元?dú)⑺?，激活低于熔點(diǎn)溫度的單元，從而模擬焊接過(guò)程的零應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 冷卻接近室溫時(shí)的溫度場(chǎng)

圖6 結(jié)構(gòu)施加的約束

二、焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果

通過(guò)Ansys的通用后處理器可以得到焊接開(kāi)始至冷卻到室溫過(guò)程中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的各種應(yīng)力、應(yīng)變值或某點(diǎn)的值隨時(shí)間的變化情況。本文主要關(guān)注焊接殘余應(yīng)力的分布情況，因此重點(diǎn)提取了冷卻至室溫時(shí)整個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力值。

圖7是冷卻至室溫時(shí)整體的焊接應(yīng)力分布情況?？梢?jiàn)焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫周圍，且應(yīng)力值接近Q345鋼的屈服強(qiáng)度，遠(yuǎn)離焊縫位置的焊接應(yīng)力迅速衰減。

圖7 冷卻至室溫時(shí)整體的焊接應(yīng)力

圖8 冷卻至室溫時(shí)支管的焊接應(yīng)力場(chǎng)

圖9 冷卻至室溫時(shí)主管的焊接應(yīng)力場(chǎng)

焊接殘余應(yīng)力分析

由焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果圖7可以看到焊接殘余應(yīng)力主要集中于焊縫周圍，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域焊接殘余應(yīng)力急劇減小。因此焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析集中于沿焊縫環(huán)向分布情況和沿主管軸向過(guò)焊縫突變情況，后者主要表明焊接過(guò)程對(duì)原材料的影響。

比較圖8、9與圖7，可以看出與焊縫處的殘余應(yīng)力相比，支管上焊縫附近的殘余應(yīng)力大于主管上焊縫附近的殘余應(yīng)力，且在主、支管連接處有較大的焊接殘余應(yīng)力分布。

圖10 沿焊縫一周焊接殘余應(yīng)力

圖11 沿主管軸向過(guò)焊縫殘余應(yīng)力的分布

通過(guò)提取焊接殘余應(yīng)力并進(jìn)行結(jié)果分析，可以得到如圖10、11的焊接殘余應(yīng)力分布結(jié)果。圖10為沿焊縫環(huán)向焊接應(yīng)力分布情況，圖11為沿主管軸向過(guò)焊縫焊接應(yīng)力分布情況。由圖10可以看到沿焊縫的環(huán)向應(yīng)力起伏變化，基本都達(dá)到了300MPa（按第四應(yīng)力強(qiáng)度理論）。第一主應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值在260MPa以下，第二主應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值在100MPa左右，第三主應(yīng)力基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值很小。由圖11可知，距離焊縫遠(yuǎn)的位置，應(yīng)力值基本降為零；在焊縫位置應(yīng)力值達(dá)到最大，但應(yīng)力大小并不關(guān)于支管中心對(duì)稱分布，而是Y型交接處一側(cè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)數(shù)值。圖中顯示的應(yīng)力數(shù)值為焊縫邊緣的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，在焊縫中心焊接殘余應(yīng)力值基本達(dá)到屈服強(qiáng)度260MPa。

結(jié)論

本文在Ansys環(huán)境下對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組樁基基礎(chǔ)中常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)Y型管節(jié)點(diǎn)的焊接過(guò)程進(jìn)行有限元仿真模擬分析，建立了圓管相貫節(jié)點(diǎn)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)三維有限元分析模型，模擬計(jì)算了焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。得出主要結(jié)論如下：

（1）溫度場(chǎng)的分析表明，用單元生死功能并考慮生熱率作為內(nèi)部熱源的加載方式模擬焊接過(guò)程是可行的。（2）應(yīng)力場(chǎng)采用熱-應(yīng)力間接耦合法進(jìn)行，利用單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)熔池的移動(dòng)，焊接熔池部分因?yàn)闇囟忍撸鋺?yīng)力幾乎為零。隨著熱源的移動(dòng)，熔池不斷向前推進(jìn)，零應(yīng)力區(qū)域逐漸減小。冷卻過(guò)程中，隨著時(shí)間的增加，殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定。（3）應(yīng)力場(chǎng)分析表明Y型節(jié)點(diǎn)相貫線處存在很大的殘余應(yīng)力。除了在端部有很小的壓應(yīng)力外，其余均為拉應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力主要集中于焊縫處，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值急劇減小。

攝影：徐寧

因此，殘余應(yīng)力對(duì)鋼管相貫焊接節(jié)點(diǎn)受力性能的影響不容忽視。焊接殘余應(yīng)力對(duì)在線焊接后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能產(chǎn)生了較大的影響，故應(yīng)盡量消除殘余應(yīng)力。在進(jìn)行強(qiáng)度性能研究時(shí)，宜充分考慮殘余應(yīng)力的影響。