一种风电塔筒焊接残余应力预测方法技术

本发明专利技术提出了一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，涉及焊接应力计算技术领域，建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料表面各网格热流密度函数，确定材料表面各网格的热流能量；在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置，可有效控制焊接的变形，避免产生焊接裂纹

【技术实现步骤摘要】
一种风电塔筒焊接残余应力预测方法


[0001]本专利技术涉及焊接应力计算
，具体涉及一种风电塔筒焊接残余应力预测方法
。

技术介绍

[0002]随着我国风电市场的迅猛发展，风力发电机组单机容量越来越大，
3MW
塔筒生产已经越来越普遍，由于发电机及塔筒自重都在增加，塔筒直径及壁板的厚度也越来越大，直径一般达到
4700mm,
壁板厚度可达到
60mm,
而且每段塔筒的长度均达到
15m
以上，塔筒材料是低合金材料
Q345E
，对于这样的大件要采用热处理的方式消除焊接应力，以塔筒厂的生产条件很难达到
。
焊接技术是工程现场施工的关键技术，在塔筒环缝
、
纵缝的焊接时采用的是埋弧自动焊
,
在填充金属时接头部位留有余高
、
凹坑及各种焊接缺陷
,
在外界环境的作用下，风电塔筒就会产生晃动，导致结构变形，产生较大的应力，使用寿命降低，威胁人身安全
。
焊接过程中不可避免的会产生焊接残余应力，残余应力的存在是焊接接头脆性断裂
、
疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要因素，研究残余应力的分布特征对工程构件使用的长效性
、
安全性具有举足轻重的意义
。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，包括如下步骤：
S1、r/>建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；
S2、
在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料各网格处的热流密度函数和热流能量；
S3、
在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；
S4、
通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置
。
[0004]进一步地，步骤
S2
中，计算风电塔筒施加单一热载荷的热流密度函数为：；式中，
H
为焓值
,U
为热流能量扩散速度
,Q(x,y,z)
为单一热载荷的在位置
(x,y,z)
处的热流密度
,K
为导热系数，
T
为位置
(x,y,z)
处的温度
。
[0005]进一步地，步骤
S2
中，位置
(x,y,z)
处的热流能量为：；式中，
L
为材料对热流能量的吸收系数
,r
b
为焊接热载荷辐射最大半径
。
[0006]进一步地，步骤
S3
中，多个热载荷在网格
(x,y,z)
处引起的平均热流密度计算公式如下：
；式中，
T
m
(x,y,z)
为第
m
个热载荷在（
x,y,z
）网格处施加的温度；
T1为（
x,y,z
）网格处的初始温度；为第
m
个热载荷的热流能量；
C
p
为空气比热容；为空气密度；
M
为热载荷个数
。
[0007]进一步地，待焊接区域内在（
x,y,z
）网格处的热流能量交互
C(x,y,z)
如下式所示
: ；式中
:
为待焊接材料的密度，为待焊接材料的比热，为待焊接材料的导热系数，为
(x,y,z)
网格处的热载荷的叠加的平均热流密度
。
[0008]进一步地，步骤
S4
中，待预测材料的焊接方向的残余应力为：；式中：为待预测的焊接区域，
A(x,y,z)
为待预测的焊接区域中单位网格体积，
h
f
为待预测材料的厚度；
B
f
待预测材料上热弹塑性计算得到的塑性应变分布宽度；
Q(x,y,z)
为位置
(x,y,z)
处的热载荷的热流密度，焊接区域中热载荷输入热流的总和，
C(x,y,z)
为待焊接材料表面各网格的热流能量交互
。
[0009]进一步地，焊接热载荷高斯函数为：；式中，
Q(x,y,z)
为单一热载荷的在位置
(x,y,z)
处的热流密度
,r
e
,r
i
为高斯锥体体热载荷上下表面最大半径，
z
e
,z
i
为热源上下表面最大半径所在的椎体顶点的
z
轴坐标，
x,y,z
为热载荷的热流分布空间上任意一个网格的空间坐标
。
[0010]进一步地，边界条件为：；式中
n
为表面法线方向
,
为待焊接区域
,
为待焊接材料表面
,h
c
为待焊接材料表面换热系数
,
为环境温度，
T
为材料温度
,I(x,y)
为热流能量在材料表面的分布函数，
K
为导热系数
。
[0011]相比于现有技术，本专利技术具有如下有益技术效果：建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料表面各网格热流密度函数，确定材料表面各网格的热流能量；通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置，可有效控制焊接的变形，避免产生焊接裂纹
、
层状撕裂的缺陷
。
[0012]在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密
度及材料表面各网格的热流能量交互，可以通过多个热载荷的温度分布情况，更改软件模拟的热源的参数，或者通过更改焊接顺序，进行多次残余应力预测，最终得到最理想的热源参数与焊接参数，即实现了焊接工艺的优化
。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
。
[0014]图1为本专利技术的风电塔筒焊接残余应力预测方法的流程图
。
[0015]图2为本专利技术的待焊接区域网格划分示意图
。
[0016]图3为本专利技术的高斯锥体焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
建立风电塔筒三维实体模型，对三维实体模型进行网格划分；
S2、
在风电塔筒三维实体模型上施加单一热载荷，构建热流能量在材料各网格处的热流密度函数和热流能量；
S3、
在风电塔筒三维实体模型上施加多个热载荷，计算多个热载荷引起的叠加热流密度及材料表面各网格的热流能量交互；
S4、
通过多次调节多个热载荷的施加位置，计算的得到待预测的焊接区域的最小的残余应力，从而确定最优的多个热载荷的施加位置
。2.
根据权利要求1所述的风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，步骤
S2
中，计算风电塔筒施加单一热载荷的热流密度函数为：；式中，
H
为焓值
,U
为热流能量扩散速度
,Q(x,y,z)
为单一热载荷的在位置
(x,y,z)
处的热流密度
,K
为导热系数，
T
为位置
(x,y,z)
处的温度
。3.
根据权利要求2所述的风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，步骤
S2
中，位置
(x,y,z)
处的热流能量为：；式中，
L
为材料对热流能量的吸收系数
,r
b
为焊接热载荷辐射最大半径
。4.
根据权利要求1所述的风电塔筒焊接残余应力预测方法，其特征在于，步骤
S3
中，多个热载荷在网格
(x,y,z)
处引起的平均热流密度计算公式如下：；式中，
T
m
(x,y,z)
为第
m
个热载荷在（
x,y,z
）网格处施加的温度；
T1为（
x,y,z
）网格处的初始温度；为第
m
个热载荷的热流能量；
C
p
为空气比热容；为空气密度；
M
为热载荷个数
。5.
根据权利要求4所述的风电塔筒焊接残余应力预测方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕涛，陈峰，金海龙，唐莎莎，籍永斌，
申请(专利权)人：华电重工机械有限公司，
类型：发明
国别省市：