一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法技术

技术编号:21141536 阅读:24 留言:0更新日期:2019-05-18 05:17
本发明专利技术公开一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,该方法大致包括如下步骤:将所建三维实体模型文件导入到ABAQUS有限元软件,对整个模型进行分区,切出重点研究的区域,选择合适的位置切块,对焊缝截面进行草图绘制,并完成整个模型网格的划分,然后进行集合选择,再进行温度场计算所需材料属性的设置,建立分析步,设置温度场的边界条件,定义焊接体热流载荷,定义预定义场,提交温度场计算模型,得到温度场后进行应力场的计算。本发明专利技术能很容易的实现多层多道焊的模拟,能够提高计算速度及计算收敛性的同时确保计算精度,尤其对于具有大尺度焊接接头的压力容器,从而增加了焊接模拟的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法
本专利技术提供了一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,属于焊接数值模拟

技术介绍
随着科学技术的快速发展,超大型的压力容器广泛应用于核电、石油化工等领域,残余应力调控是超大型的压力容器制造的关键技术。对于超大的、大壁厚压力容器,具有大尺度的焊接接头。焊接数值模拟是研究此类接头的重要手段。然而,此类焊接接头具有焊道多,焊缝长,按照传统的移动高斯热源具有超量的计算,导致数值模拟无法进行。焊接数值模拟方法对于优化大尺度焊接接头的制造工艺及调控焊接残余应力具有重要的意义。
技术实现思路
针对上述技术问题,本专利技术提供一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法。本专利技术所采用的技术解决方案是:一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,包括以下步骤:步骤1:对模拟对象进行分析,利用三维造型软件建立三维实体模型,将三维实体模型以.x_t文件格式导出,并将此文件导入到ABAQUS有限元软件;步骤2:对整个模型进行分区,切出重点研究的区域;步骤3:对重点研究的区域选择合适的位置切块,切块所要达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面,且对后续画网格不会产生不利影响;步骤4:只显示步骤3中的其中一个实体,对焊缝截面进行草图绘制,选择拆分面:使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线,选择拆分几何元素:使用N边分片将焊缝(包括部分母材)和母材分开,此时焊缝至少分为两段;步骤5:选择合适位置焊缝其中一段,选择拆分面:草图对焊缝截面进行草图绘制,焊道形貌进行如下简化:对于表面深度20%的区域逐道模拟;剩余多层,每层多道简化为一道;步骤6:按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子,只显示步骤5进行草图绘制的焊缝,进行局部网格种子布置;步骤7:将焊缝及邻近焊缝的实体设置为扫掠网格,从设置局部网格种子的焊缝的实体开始,按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分;步骤8:按照上述原则及方法,完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查,网格质量不存在错误且警告值小于10%时所画网格合格;步骤9:利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合,创建每道焊缝单元的集合,配合使用隐藏与显示功能;首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0,接着对每道焊缝进行命名,Weld-1表示第一道焊缝,Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段,以此类推,Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合;定义焊接及热处理工艺幅值曲线;步骤10:完成上述网格划分和集合选择之后,进行温度场的计算;定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量;步骤11:建立分析步,以焊缝分为多段为例:第1个分析步为step-1,分析时间为1*10-4秒,移除weld-0;第2个分析步为step-2,分析时间为1*10-4秒,添加激活weld-1-1;第3个分析步为step-3,分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数,进行weld-1-1的焊接模拟;如果一道焊缝有m段,则总的分析步为2N+1+m,N为焊道数,m为每条焊道的段数;步骤12:设置温度场的边界条件,主要包括热对流和热辐射,以得到比较精确的温度场;步骤13:进行热源的选择;步骤14:定义预定义场,具体为所模拟的初始的温度;步骤15:检查上述步骤,提交计算模型进行计算,得到温度场后进行应力场的计算。优选的,步骤1中,所述三维造型软件包括Solidworks、Pro/E、3DSMax、CATIA和UG。优选的,步骤2中还包括以下过程:建立一个拉伸壳单元,该拉伸壳单元的截面形状和加热带的形状一致,在装配模块进行布尔运算,切出加热带区域。优选的,步骤4中,将焊缝两侧的焊趾分别连线,选择拆分几何元素:使用N边分片命令将焊缝(包括部分母材,之后的描述采用Weld)和母材分开。优选的,步骤5中还包括以下过程:焊道截面进行如下简化:对于表面深度20%的区域逐道模拟;剩余多层,每层多道简化为一道。优选的,步骤6中:整体种子确定原则上尽量小,从而保证重点研究的部位网格较密;除重点研究区域之外的区域也设置局部网格种子。优选的,步骤7中:网格为六面体网格;网格划分失败可以检查扫掠方向是否正确,按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分,画焊缝的原则也遵循。优选的,步骤8中:网格质量警告值小于10%。优选的,步骤9中:采用以拓扑为单元选择集合创建每道焊缝单元的集合,配合使用隐藏与显示功能。优选的,步骤10中:采用新型焊缝材料模型,是来描述焊缝金属从焊条转移到熔池的无刚度和无强度特性,实现焊接过程中不限制母材和热影响区的变形。采用此材料模型,能确保计算精度的同时提高计算的收敛性。优选的,步骤12中:如果一道焊缝只有一段,则总的分析步为2N+1,N为焊道数,之后分析步的设置参照step-2和step-3,直至焊接模拟结束。优选的,步骤13中:沿焊接的长度方向,始端和末端20%采用移动的高斯热源;中间采用瞬态热源。始端和末端的焊接热源通过子程序实现,中间的焊接热源通过定义焊接体热流载荷实现。本专利技术的有益技术效果是:本专利技术所采用新型焊缝材料模型,是来描述焊缝金属从焊条转移到熔池的无刚度和无强度特性,实现焊接过程中母材和热影响区的变形不受约束。采用此材料模型,能确保计算精度的同时提高计算的收敛性。本专利技术所采用焊道截面简化方法,即对于表面深度20%的区域逐道模拟,剩余多层每层多道简化为一道,通过中子衍射实验进行了验证,具有一定的精确性。本专利技术所采用热源的选择(步骤13)能够保证计算精度的同时提高计算速度。附图说明下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步说明:图1为本专利技术实施例中的模型切块图;图2为本专利技术实施例中的具体网格图;图3为本专利技术实施例中的焊缝简化方案的网格比较图;图4为本专利技术实施例中的不同焊缝简化与中子衍射测试结果比较图。具体实施方式结合附图,本专利技术提供的超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,包括如下具体实施步骤:步骤1:对模拟对象进行分析,利用三维造型软件Solidworks、Pro/E、3DSMax、CATIA、UG等建立三维实体模型,将模型以.x_t文件格式导出,并将此文件导入到ABAQUS有限元软件。步骤2:对整个模型进行分区,切出重点研究的区域。目的是在对重点研究区域进行切块时不会对周围部分“切伤”,能够画出较高质量的网格。建立一个拉伸壳单元Part,该壳单元的截面形状和加热带的形状一致,在装配模块进行布尔运算,切出加热带区域。步骤3:对重点研究区域选择合适的位置“切一刀”,即分割,能够达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面,且对后续画网格不会产生不利影响。步骤4:只显示步骤3中的其中一个实体,对Weld截面进行草图绘制,选择拆分面:使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线,选择拆分几何元素:使用N边分片将焊缝(包括部分母材,之后的描述采用Weld)和母材分开,此时Weld至少分为两段,在没有其他要求或特殊情况下,建议Weld不要切太多段,原则上越少越好。步骤5:选择合适位置焊缝其中一段,选择拆分面:草图对焊缝截面进行草图绘制,焊道截面进行如下简化:对于表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:对模拟对象进行分析,利用三维造型软件建立三维实体模型,将三维实体模型以.x_t文件格式导出,并将此文件导入到ABAQUS有限元软件;步骤2:对整个模型进行分区,切出重点研究的区域;步骤3:对重点研究的区域选择合适的位置切块,切块所要达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面,且对后续画网格不会产生不利影响;步骤4:只显示步骤3中的其中一个实体,对焊缝截面进行草图绘制,选择拆分面:使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线,选择拆分几何元素:使用N边分片将焊缝(包括部分母材)和母材分开,此时焊缝至少分为两段;步骤5:选择合适位置焊缝其中一段,选择拆分面:草图对焊缝截面进行草图绘制,焊道截面进行如下简化:对于表面深度20%的区域逐道模拟;剩余多层,每层多道简化为一道;步骤6:按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子,只显示步骤5进行草图绘制的焊缝,进行局部网格种子布置;步骤7:将焊缝及邻近焊缝的实体设置为扫掠网格,从设置局部网格种子的焊缝的实体开始,按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分;步骤8:按照上述原则及方法,完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查,网格质量不存在错误且警告值小于10%时所画网格合格;步骤9:利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合,创建每道焊缝单元的集合,配合使用隐藏与显示功能;首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld‑0,接着对每道焊缝进行命名,Weld‑1表示第一道焊缝,Weld‑1‑1表示第一道焊缝的第一段,以此类推,Weld‑1‑n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合;定义焊接及热处理工艺幅值曲线;步骤10:完成上述网格划分和集合选择之后,进行温度场的计算;定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量;步骤11:建立分析步,以焊缝分为多段为例:第1个分析步为step‑1,分析时间为1*10‑4秒,移除weld‑0;第2个分析步为step‑2,分析时间为1*10‑4秒,添加激活weld‑1‑1;第3个分析步为step‑3,分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数,进行weld‑1‑1的焊接模拟;如果一道焊缝有m段,则总的分析步为2N+1+m,N为焊道数,m为每条焊道的段数;步骤12:设置温度场的边界条件,主要包括热对流和热辐射,以得到比较精确的温度场;步骤13:进行热源的选择;步骤14:定义预定义场,具体为所模拟的初始的温度;步骤15:检查上述步骤,提交计算模型进行计算,得到温度场后进行应力场的计算。...

【技术特征摘要】
1.一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:对模拟对象进行分析,利用三维造型软件建立三维实体模型,将三维实体模型以.x_t文件格式导出,并将此文件导入到ABAQUS有限元软件;步骤2:对整个模型进行分区,切出重点研究的区域;步骤3:对重点研究的区域选择合适的位置切块,切块所要达到的效果是通过隐藏与显示功能看到焊缝截面,且对后续画网格不会产生不利影响;步骤4:只显示步骤3中的其中一个实体,对焊缝截面进行草图绘制,选择拆分面:使用两点间的最短路径将焊缝两侧的焊趾分别连线,选择拆分几何元素:使用N边分片将焊缝(包括部分母材)和母材分开,此时焊缝至少分为两段;步骤5:选择合适位置焊缝其中一段,选择拆分面:草图对焊缝截面进行草图绘制,焊道截面进行如下简化:对于表面深度20%的区域逐道模拟;剩余多层,每层多道简化为一道;步骤6:按照模型尺寸和焊缝尺寸确定整体种子,只显示步骤5进行草图绘制的焊缝,进行局部网格种子布置;步骤7:将焊缝及邻近焊缝的实体设置为扫掠网格,从设置局部网格种子的焊缝的实体开始,按照顺时针或逆时针的顺序完成焊缝网格的划分;步骤8:按照上述原则及方法,完成整个模型网格的划分。并对网格质量进行检查,网格质量不存在错误且警告值小于10%时所画网格合格;步骤9:利用工具→集→创建→单元→以拓扑为单元选择集合,创建每道焊缝单元的集合,配合使用隐藏与显示功能;首先对整个焊缝选择一个集合命名为Weld-0,接着对每道焊缝进行命名,Weld-1表示第一道焊缝,Weld-1-1表示第一道焊缝的第一段,以此类推,Weld-1-n表示第一道焊缝的第n段。创建热处理面集合;定义焊接及热处理工艺幅值曲线;步骤10:完成上述网格划分和集合选择之后,进行温度场的计算;定义材料的材料属性以及计算温度场所需要的常量;步骤11:建立分析步,以焊缝分为多段为例:第1个分析步为step-1,分析时间为1*10-4秒,移除weld-0;第2个分析步为step-2,分析时间为1*10-4秒,添加激活weld-1-1;第3个分析步为step-3,分析时间为焊接第一道焊缝的总时间除以第一道焊缝总的段数,进行weld-1-1的焊接模拟;如果一道焊缝有m段,则总的分析步为2N+1+m,N为焊道数,m为每条焊道的段数;步骤12:设置温度场的边界条件,主要包括热对流和热辐射,以得到比较精确的温度场;步骤13:进行热源的选择;...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒋文春金强罗云万娱叶培举涂善东李福来
申请(专利权)人:中国石油大学华东
类型:发明
国别省市:山东,37

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