基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法，包括如下步骤：对实际堆焊工件进行整体建模，得到几何模型；将所述几何模型进行划分，分为阀门基体和堆焊焊道两部分；并根据焊道的道数和层数，进一步划分堆焊焊道；对整个模型进行网格划分；重复上述步骤，将不同材料属性对应的堆焊工件分别相应地赋予焊道模型和基体模型；对模型整体使用单一温度

【技术实现步骤摘要】
基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法


[0001]本申请涉及有限元计算领域，尤其涉及一种基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法，以获得焊接过程中随时间变化的温度场和应力场数据。

技术介绍

[0002]阀门作为工业应用中常用的零件，需要具有足够的强度和刚度，以保证长期使用不发生破裂和变性。并且，需要保障其在长期使用条件下具有优良的密封能力。
[0003]在核电、深海管道、化工等行业中，阀门的服役条件恶劣，往往处于高压、疲劳载荷、腐蚀介质等严峻环境中。单独由未经处理的传统材料制成的阀门难以满足服役条件。堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于阀门表面进行表面改性以提升阀门的性能。
[0004]在堆焊过程中，工件不可避免地产生温度场与应力场的变化，这些变化在一定情况下将影响阀门的装配精度、使用寿命、抗疲劳、抗应力腐蚀等性能，超过一定程度可能使工件产生裂纹，影响使用甚至造成危险。因此有必要对堆焊产生的残余应力进行计算和预测，并对焊接工艺过程进行优化，确保采用的焊接工艺产生的应力不会超过允许范围。
[0005]对焊接残余应力的研究历史较长，但以往的研究几乎都是试验手段，大量的焊接试验浪费很大，并具有破坏性。使用传统的焊接试验方法测量残余应力，需要具备很高的设备条件，且破坏性实验用时长，成本高。堆焊尤其是多层多道堆焊需要对堆焊过程中的层间应力演变进行计算和预测。常用的盲孔法仅具有测量焊后残余应力的能力。X射线等不具破坏性的无损检测方法对设备的要求更高，成本也更高；且该方法仍只能测量局部位置的残余应力，不能反映整个焊接件整体应力分布并对焊接过程中应力变化规律进行研究。因此，通过实验测量的结果难以对焊接过程进行优化。
[0006]随着计算机技术的发展，使用有限元计算法对通过实验难以直接观察到的数据进行提取和分析成为了科研和工程应用中的常见方法。但是现有技术中并没有公开采用有限元计算的方法对焊接过程中阀门表面堆焊温度场和应力场进行计算和预测的方法。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于有限元计算的焊接过程中阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用以下的技术方案：
[0009]一种基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法，包括如下步骤：
[0010]对实际堆焊工件进行整体建模，得到几何模型；
[0011]将所述几何模型进行划分，分为阀门基体和堆焊焊道两部分；并根据焊道的道数和层数，进一步划分堆焊焊道；
[0012]对整个模型进行网格划分，网格由靠近焊道向靠近基体由密到疏进行布置；
[0013]将不同材料属性对应的堆焊工件分别相应地赋予焊道模型和基体模型，对模型整体使用单一温度
‑
位移直接耦合单元进行模拟，获得温度
‑
应力场；
[0014]使用生死单元子程序控制生死单元与热源移动相配合的堆焊过程，模拟焊道的材料增加过程；
[0015]编写热源子程序并进行校核，使用生死单元子程序控制热源的运动路线，对工件表面赋予热对流属性和热辐射属性；
[0016]在结果文件中读取随时间变化的温度场和应力场数据，并用于堆焊工艺评价与优化。
[0017]具体地，有限元计算方法具有效率高、非破坏性、节约成本和时间、能完整提取随时间变化的任意位置的结果等特点。在阀门表面堆焊过程中，层间的温度和应力分布情况复杂且对最终性能起到至关重要的作用，因此与其他破坏性和只能对焊接完成后的局部应力分布情况的方法相比有着明显优势，并可用于对应力分布的预测。
[0018]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述堆焊焊道的厚度小于或等于10mm。
[0019]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述几何模型的尺寸(长、宽、高)不超过500mm。
[0020]具体地，焊道处和焊道附近基体的网格需要较为密集，以保证精确度；距离焊道较远的基体处的网格可以适当稀疏，以提高计算效率，两者之间一般呈渐变关系，即网格由靠近焊道向靠近基体由密到疏进行布置。随着几何模型尺寸的增加不可避免地造成节点数量的增加，从而增大运算量和运算时间，超过一定程度将使时间成本难以接受。
[0021]根据本专利技术的一些优选实施方面，根据实际焊接过程中的焊道堆叠面积，每一道焊道的宽度方向上选择不同的网格数量，并控制每一道焊道的宽度。
[0022]具体地，为保证熔合，实际堆焊过程中，平行的不同焊道之间往往按一定比例(如1/3)进行重合堆焊。为模拟出焊道重合效果，第一焊道建模宽度等于焊道宽度，第二焊道及后续的平行焊道建模宽度为1与上述比例之差(如2/3)。控制热源沿每一焊道中心移动，就模拟出了焊道的重合效果。
[0023]根据本专利技术的一些优选实施方面，使用扫略的方法控制网格的划分，扫略方向为焊接热源的前进方向。
[0024]具体地，控制生死单元的子程序是通过将一定层数的网格按编号分为不同的集，再通过有限元软件中的模型改变功能按顺序杀死和激活。确保“扫略方向”与热源移动方向一致，才能保证热源与模型相配合，模拟出堆焊材料增加的过程。
[0025]根据本专利技术的一些优选实施方面，按照设定的焊接工艺在生死单元子程序中控制每一个生死单元沿焊接方向的网格层数。最初激活的焊道生死单元将对模型起到冷却作用，单个生死单元越大这一作用越明显，因此，需要控制单个生死网格密度，确保其产生的冷却效果不会对计算精确度产生明显影响。
[0026]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述材料属性至少包括密度、杨氏模量、比热容、热膨胀系数、热导率。有限元软件使用的控制方程至少需要以上五种参数才能进行热弹性计算。如考更多因素则需要更多的材料属性，例如考虑塑性变形则需要不同温度下的屈服强度，考虑相变潜热则需要潜热数据。
[0027]通过查阅资料、实验测量、使用软件计算等方法得到基体和焊道的材料属性。常用的材料的物理属性参数基本可通过查阅文献、书籍等获取，某些新型堆焊材料的物理属性
需要实验测量或使用计算软件计算求得。
[0028]进一步地，通过将编写的热源子程序应用于模型计算中，并将计算得到的结果与实际焊接过程测量的温度进行比较，校核热源子程序。有限元计算结果不可避免地因模型简化等因素，与实际情况有所偏差，因此需要进行热源子程序的校核。
[0029]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述生死单元子程序控制热源沿焊道中心移动和摆动，通过正弦函数控制热源的摆动。
[0030]具体地，热源子程序可被分为两部分，一部分描述热源的形状和能量分布，包括双椭球热源、高斯热源、复合热源等；一部分描述热源的位置。使用三角函数可以实现圆形轨迹的运动，使用正弦函数可以控制摆动的频率、幅度等，模拟实际情况。
[0031]根据本专利技术的一些优选实施方面，所述建模为在有限元软件，如ANSYS、ABQUS等，中使用建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元计算的阀门表面堆焊温度场和应力场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：对实际堆焊工件进行整体建模，得到几何模型；将所述几何模型进行划分，分为阀门基体和堆焊焊道两部分；并根据焊道的道数和层数，进一步划分堆焊焊道；对整个模型进行网格划分，网格由靠近焊道向靠近基体由密到疏进行布置；将不同材料属性对应的堆焊工件分别相应地赋予焊道模型和基体模型，对模型整体使用单一温度
‑
位移直接耦合单元进行计算；使用生死单元技术模拟焊道的堆焊过程，用生死单元子程序控制生死单元与热源移动相配合，模拟焊道的材料增加过程；编写热源子程序并进行校核，使用生死单元子程序控制热源的运动路线，对工件表面赋予热对流属性和热辐射属性；在结果文件中读取模型随时间变化的温度场和应力场数据。2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述几何模型的尺寸不超过500mm。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志强，陈忠兵，梁振新，尹少华，张建林，
申请(专利权)人：苏州热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：