高立志 孟巧榮 王然風(fēng) 袁繼成

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

★ 煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

基于ANSYS的礦用凈水球罐熱結(jié)構(gòu)耦合分析

高立志 孟巧榮 王然風(fēng) 袁繼成

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

為了研究熱載荷對(duì)礦用凈水球罐罐體應(yīng)力分布的影響，運(yùn)用ANSYS有限元經(jīng)典編程環(huán)境構(gòu)建了凈水球罐對(duì)接環(huán)焊縫的計(jì)算模型。分析了球罐環(huán)焊縫焊接過程的數(shù)值模擬，詳細(xì)介紹了環(huán)焊縫溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果及分析。應(yīng)力場(chǎng)分析表明，在球罐外表面焊料與母材結(jié)合處經(jīng)向殘余應(yīng)力達(dá)到最大510 MPa，緯向峰值則出現(xiàn)在焊縫中心，而在球罐內(nèi)表面赤道位置處兩向殘余應(yīng)力最大且均小于420 MPa，該分析對(duì)減小球罐殘余應(yīng)力、確保設(shè)備安全運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

礦用凈水球罐 有限元分析 熱結(jié)構(gòu)耦合 殘余應(yīng)力

自動(dòng)在線凈水站作為一種為整個(gè)綜采工作面供水的主要設(shè)備，兼具凈水、軟水的雙重功能，改進(jìn)了原有的井下供水系統(tǒng)，使部分礦井水在井下實(shí)現(xiàn)了循環(huán)利用。礦井水凈化后，在噴霧泵的作用下，高壓水經(jīng)主管路送至工作面的采煤機(jī)組，完成工作面的噴霧降塵與機(jī)組設(shè)備的冷卻降溫；經(jīng)凈化的水在軟水裝置處理后，降低了鈣鎂化合物的含量，通過膠管送至配液箱完成乳化液的配比。在整個(gè)凈水站中，兩個(gè)反沖洗球罐作為關(guān)鍵部件，起著至關(guān)重要的作用，球罐的破裂或裂紋的出現(xiàn)將對(duì)采煤系統(tǒng)的正常運(yùn)行與井下人員的人身安全產(chǎn)生最為直接的影響。因此，分析和預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力在罐體上的分布情況，對(duì)改善焊接工藝、確保設(shè)備安全運(yùn)行尤為重要。

目前焊接殘余應(yīng)力的獲取主要通過試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析兩種途徑，本文通過ANSYS有限元法對(duì)球罐環(huán)焊縫的填充過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)在熱源移動(dòng)過程中得到的瞬態(tài)溫度場(chǎng)以及基于此溫度場(chǎng)的殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

1 球罐環(huán)焊縫焊接過程數(shù)值模擬

1.1 研究及分析對(duì)象

本文以煤礦井下凈水站0.7 m3的儲(chǔ)水球罐作為研究對(duì)象，以球罐環(huán)焊縫焊接過程作為分析對(duì)象。該罐內(nèi)徑為550 mm,壁厚為12 mm，材質(zhì)為304不銹鋼。球罐環(huán)焊縫焊接坡口采用V形焊，共4道焊縫。凈水站執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型如圖1所示，球罐環(huán)焊縫坡口及焊道順序如圖2所示。

圖1 凈水站執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型

圖2 球罐環(huán)焊縫坡口及焊道順序

在熱和應(yīng)力分析過程中，304不銹鋼的熱物性參數(shù)和力學(xué)性能隨著溫度的升高不斷改變，它們的正確與否會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此，對(duì)比熱c、熱導(dǎo)率λ、密度ρ、屈服強(qiáng)度ReL、線膨脹系數(shù)β、彈性模E、泊松比μ性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得到的304熱物理性能參數(shù)如圖3所示。

1.2 建立有限元模型

由于球罐整體尺寸偏大，考慮到計(jì)算效率與能力的影響，需對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，沿赤道方向截取一段長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)15°的周長(zhǎng)，沿經(jīng)向相應(yīng)寬度約為550 mm的弧形板進(jìn)行計(jì)算分析，模型網(wǎng)格劃分與焊縫區(qū)網(wǎng)格放大如圖4所示。

圖3 304熱物理性能參數(shù)

圖4 模型網(wǎng)格劃分與焊縫區(qū)網(wǎng)格放大

為了確保計(jì)算精度，在對(duì)凈水球罐模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到在焊縫及其附近范圍內(nèi)溫度和應(yīng)力變化劇烈，采用映射網(wǎng)格劃分，沿焊縫深度方向逐漸加密，上層第4道焊縫單元約為2 mm左右。而遠(yuǎn)離焊縫的兩側(cè)區(qū)域，隨著距離的增加網(wǎng)格越來越為稀疏(掃掠網(wǎng)格)，中間部分采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行過渡。整個(gè)有限元模型數(shù)據(jù)為Solid70三維實(shí)體熱傳導(dǎo)單元32345個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)31712個(gè)。

1.3 計(jì)算過程分析

在焊接過程中，由于焊接熱源的移動(dòng)，再加上熱循環(huán)的影響，使得焊縫周邊母材承受不均勻的溫度梯度以及激冷激熱等因素的共同作用，造成母材體積不同程度的改變，產(chǎn)生熱應(yīng)力。因?yàn)閼?yīng)力的變化對(duì)溫度幾乎沒有影響，所以選擇單向耦合法，即先對(duì)環(huán)焊縫的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，然后以溫度場(chǎng)得到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度為負(fù)載加載到有限元模型上，求得焊接殘余應(yīng)力的分析結(jié)果。在熱分析時(shí)，由于本文所研究的球罐對(duì)接屬于大坡口厚板焊接，一定程度上可以認(rèn)為熱源能量在環(huán)焊縫單位體積上均勻分布，而體生熱率恰好滿足此條件。體積熱生成率如下：

HGEN=η·U·I∕(V·S·T)

式中：η——焊接熱效率，取0.75；

U——電弧電壓，V；

I——焊接電流，A；

V——焊接速度，m/s；

S——焊縫的橫截面積，m2；

T——每一個(gè)載荷步的加載時(shí)間，s。

焊縫的逐步填充是通過APDL語言與單元的生死特性相結(jié)合來完成的。始焊前，焊縫還沒有出現(xiàn)，我們認(rèn)為焊縫單元已被“殺死”(EKILL，ALL)，隨著焊接過程的不斷進(jìn)行，利用單元的生死特性使焊縫逐一“復(fù)活”(ELIVE，ALL)。具體方法為：對(duì)有限元模型單元進(jìn)行編號(hào)，利用“*DO-*ENDDO”語句，沿焊縫方向依次讀取所要加載單元的編號(hào)，隨著載荷步的增加，熱源逐步前移，得到焊接溫度場(chǎng)；以此結(jié)果為基礎(chǔ)，將三維實(shí)體傳熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元,對(duì)模型施加位移約束，進(jìn)行應(yīng)力分析，得到焊接應(yīng)力場(chǎng)。

2 環(huán)焊縫溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果及分析

2.1 焊接過程熱分析

第4層焊道焊接過程中溫度場(chǎng)分布云圖如圖5所示。

圖5 第4層焊道焊接過程中溫度場(chǎng)分布云圖

由圖5可知，焊接時(shí)熔池中心點(diǎn)的溫度最高，在緊鄰熱源的一塊較小區(qū)域，等溫線以其為中心呈現(xiàn)為半徑差值逐漸增大的一系列同心圓；由于熱源前方焊縫還未進(jìn)行填充，處于室溫狀態(tài)，因此溫差較大，等溫線較為集中；在熱源經(jīng)過的區(qū)域，已填充焊縫前后溫差較小，等溫線之間間距較大；熱源兩側(cè)在材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)以及與空氣對(duì)流換熱的作用下，溫度來不及迅速升高，變化趨勢(shì)較為緩慢些。隨著熱源的移動(dòng)，熔池及其附近區(qū)域達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段，以一個(gè)基本穩(wěn)定的溫度場(chǎng)形態(tài)移動(dòng)。

為了更直觀的反應(yīng)焊縫處溫度隨時(shí)間的變化過程，在第4道焊縫沿經(jīng)線方向采集5個(gè)樣點(diǎn)A、B、C、D、E進(jìn)行分析，其中A點(diǎn)位于焊縫中心，B點(diǎn)位于焊縫外表面與母材交界處的熔合線上，C、D、E距B點(diǎn)的距離大致分別為10 mm、50 mm、100 mm。采樣點(diǎn)在球罐上的位置圖如圖6所示。

圖6 采樣點(diǎn)在球罐上的位置圖

采樣點(diǎn)熱循環(huán)曲線圖如圖7所示。

圖7 采樣點(diǎn)熱循環(huán)曲線圖

由圖7可知，5個(gè)采樣點(diǎn)溫度均經(jīng)歷了4次波動(dòng)，A和B兩點(diǎn)的溫度波動(dòng)最大，D和E點(diǎn)的波動(dòng)較小，在距離熔合線附近10 mm左右范圍內(nèi)溫度的變化較為劇烈，隨著距離的增加溫度波動(dòng)逐漸減小。由此可見溫度的波動(dòng)程度與到焊縫的距離成反比且在距熔合線10 mm范圍之內(nèi)受熱源的影響較大。

對(duì)圖7中5個(gè)采樣點(diǎn)溫度變化曲線的波谷進(jìn)行分析可以看出，5個(gè)點(diǎn)的波谷溫差不大，在開始的幾層焊道焊接時(shí)各點(diǎn)的波谷溫度值略微呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)榍耙粚雍傅罆?huì)為后一層起到預(yù)熱的作用。

對(duì)采樣點(diǎn)溫度變化曲線的波峰進(jìn)行分析，A和B兩點(diǎn)溫度波動(dòng)的峰值逐漸上升，這與焊接順序有關(guān)，隨著焊接層數(shù)的增加，A和B兩點(diǎn)與熔池的距離逐漸減小，溫度峰值經(jīng)歷了3次疊加越來越大。而C、D、E三點(diǎn)由于距離焊縫較遠(yuǎn)，焊接熱源所釋放出來的熱量經(jīng)過一段距離的熱傳導(dǎo)與對(duì)流換熱，峰值雖然也呈現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)較為緩慢。在整個(gè)加熱過程完成后，隨著載荷步的增大，各點(diǎn)的溫度慢慢降低并接近于室溫。以第4層焊道的溫度波動(dòng)為例，當(dāng)焊接熱源經(jīng)過A點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的溫度在很短的時(shí)間內(nèi)由1563℃降至300℃左右，溫升與溫降幾乎是在瞬間完成的，導(dǎo)致材料不均勻的熱脹冷縮，進(jìn)而引起體積不同程度的變化，產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)。

2.2 焊接過程殘余應(yīng)力分析

焊縫第4層焊道焊接過程中應(yīng)力場(chǎng)分布云圖如圖8所示。

圖8 焊縫第4層焊道焊接過程中應(yīng)力場(chǎng)分布云圖

由圖8可知，熱源溫度較高，超過了材料的熔化溫度，達(dá)到了材料在此溫度下的屈服極限，使得熔池處于液化狀態(tài)，因此熔池所處位置的等效應(yīng)力較小，即圖中夾在兩條黃色應(yīng)力帶中間的已焊部分。隨著熱源的移動(dòng)，在熔合線附近區(qū)域的熱應(yīng)力沿焊接方向逐步前移，并向焊縫兩側(cè)擴(kuò)散，熱應(yīng)力在整個(gè)球壁成球形，基本成對(duì)稱分布。

圖9 路徑圖

為了更確切地描述焊縫冷卻后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，在距始焊位置焊縫中心沿球壁經(jīng)向作路徑1和路徑2，沿球壁緯向作路徑3和路徑4。路徑圖如圖9所示。

外表面經(jīng)向應(yīng)力變化圖和內(nèi)表面經(jīng)向應(yīng)力變化圖如圖10和圖11所示。

圖10 外表面經(jīng)向應(yīng)力變化圖

由圖10可知，經(jīng)向應(yīng)力在距熔合線10 mm左右的范圍內(nèi)均為拉應(yīng)力，且在熔合線處數(shù)值可達(dá)510 MPa。超過應(yīng)力峰值后，經(jīng)向曲線急劇下降，殘余拉應(yīng)力快速衰減，當(dāng)距離d大于24 mm時(shí)，衰減至負(fù)值；隨著d值的不斷增加，經(jīng)向曲線緩慢上升，經(jīng)向壓應(yīng)力的絕對(duì)值小于50 MPa；當(dāng)d增至220 mm時(shí)，經(jīng)向應(yīng)力由負(fù)轉(zhuǎn)正數(shù)值可達(dá)103 MPa。

圖11 內(nèi)表面經(jīng)向應(yīng)力變化圖

由圖11可知，內(nèi)表面與外表面經(jīng)向應(yīng)力變化曲線的趨勢(shì)基本相反。主要原因在于熱源加熱過程中，緊鄰熱源的一塊較小區(qū)域溫度較高超過了材料的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致塑性變形的產(chǎn)生。同時(shí)在赤道平面沿徑向焊縫受到的約束較小，向內(nèi)收縮，所以在球罐外表面的焊縫附近表現(xiàn)為內(nèi)凹形變，相應(yīng)的內(nèi)表面則出現(xiàn)外凸，從而沿經(jīng)向方向呈現(xiàn)為拉應(yīng)力，在與外表面相對(duì)應(yīng)的220 mm處，又過渡為壓應(yīng)力，絕對(duì)值可達(dá)23 MPa。

外表面緯向應(yīng)力變化圖和內(nèi)表面緯向應(yīng)力變化圖如圖12和圖13所示。

圖12 外表面緯向應(yīng)力變化圖

由圖12可知，沿焊縫方向應(yīng)力曲線呈倒U形分布且為拉應(yīng)力，焊縫起止端的值偏小，中間部位在一個(gè)穩(wěn)定值445 MPa上下輕微浮動(dòng)。出現(xiàn)這種分布，是由于在有限元模擬時(shí)考慮到計(jì)算效率與能力等因素，只截取了球罐部分環(huán)焊縫進(jìn)行分析，在模型兩端的約束比中間段要小，所以焊接殘余應(yīng)力較小。對(duì)整個(gè)球罐來說，環(huán)焊縫是閉合的，因此其殘余應(yīng)力應(yīng)與有限元模型中間段相同，同時(shí)，也說明所取計(jì)算模型的尺寸較為合理。

圖13 內(nèi)表面緯向應(yīng)力變化圖

由圖13可知，可以看出內(nèi)表面緯向應(yīng)力與外表面的分布規(guī)律大致相同，穩(wěn)定區(qū)域的拉應(yīng)力約為410 MPa。

3 結(jié)論

(1)焊接熱影響區(qū)很小，溫度的波動(dòng)范圍集中在焊縫的熔合線附近，溫度波動(dòng)程度與距焊縫的距離成反比，距離越遠(yuǎn)，波動(dòng)程度越小，這與實(shí)際過程相符，說明可以在此基礎(chǔ)上求解應(yīng)力場(chǎng)。

(2)由于熱源移動(dòng)過程中，熱循環(huán)的不均勻性，造成殘余應(yīng)力的復(fù)雜性，整體來看，在球罐外表面焊料與母材結(jié)合處經(jīng)向殘余應(yīng)力較大可達(dá)510 MPa，緯向峰值則出現(xiàn)在焊縫中心；而在球罐內(nèi)表面赤道位置處兩向殘余應(yīng)力最大且均小于420 MPa。

通過對(duì)礦用凈水球罐環(huán)焊縫的熱結(jié)構(gòu)模擬，得出了在熱源加載下的溫度變化以及殘余應(yīng)力在凈水球罐罐體上的應(yīng)力分布，一方面為確定焊接結(jié)構(gòu)的最佳設(shè)計(jì)和最佳工藝參數(shù)提供了參考，另一方面為罐體結(jié)構(gòu)的壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Thermal-structural coupling analysis of mining purifying water spherical tank based on ANSYS

Gao Lizhi, Meng Qiaorong, Wang Ranfeng, Yuan Jicheng

(College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

In order to study influences of thermal load on stress distribution of mining purifying water spherical tank, the computational model of purifying water spherical tank's butt-welded joint was established by using ANSYS finite element classic programming environment. Numerical simulation on welding process of spherical tank's circumferential weld was analyzed, and results and analysis of temperature field and stress field of circumferential weld were introduced. The results showed that meridionalresidual stress reached the maximum 510 MPa at the junction of solders and base metal which was located on the outer surface of spherical tank, the peak of latitudinal residual stress appeared in center of the weld, but on the inner surface of spherical tank, both of meridional and latitudinal residual stresses got maximum value in the equatorial position and were all below 420 MPa. This research had a certain degree of reference to reduce the residual stress and ensure the safe operation of equipment.

purifying water spherical tank, finite elemant analysis, thermal-structural coupling, residual stress

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274148)

高立志，孟巧榮，王然風(fēng)等.基于ANSYS的礦用凈水球罐熱結(jié)構(gòu)耦合分析[J].中國(guó)煤炭，2017，43(2)：73-77. Gao Lizhi, Meng Qiaorong, Wang Ranfeng, et.al. Thermal-structural coupling analysis of mining purifying water spherical tank based on ANSYS[J].China Coal，2017，43(2)：73-77.

TD434

A

高立志(1991-)，男，山西運(yùn)城人，太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院在讀研究生，主要研究方向?yàn)槊旱V機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析。