張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

TRT焊接機(jī)殼有限元前處理技術(shù)

張保林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

以TRT透平主機(jī)焊接機(jī)殼為研究對象，利用有限元軟件ANSYS分析焊接機(jī)殼的焊接結(jié)構(gòu)，分析過程包括焊接有限元前處理、應(yīng)力應(yīng)變的模擬計(jì)算、計(jì)算結(jié)果分析、分析計(jì)算的后處理及評判。其中，有限元前處理需要花費(fèi)大量時(shí)間，良好的前處理是有限元分析的前提和關(guān)鍵。結(jié)合焊接和有限元知識，對TRT透平主機(jī)焊接機(jī)殼有限元前處理的若干問題進(jìn)行探討，解決了有限元前處理技術(shù)中的結(jié)構(gòu)模型、模型材料與性能、熱分析單元的選定、熱源模型的建立及焊接“生死”單元技術(shù)、網(wǎng)格劃分、焊接工藝和有限元模型邊界條件及載荷的施加等問題，為后續(xù)有限元模擬焊接應(yīng)力及變形結(jié)果的計(jì)算提供了精確保障。

有限元；幾何模型；網(wǎng)格；邊界條件

0 前言

以TRT透平主機(jī)焊接機(jī)殼為研究對象，利用ANSYS有限元法分析焊接結(jié)構(gòu)，包括焊接有限元前處理技術(shù)、應(yīng)力應(yīng)變的模擬計(jì)算、計(jì)算結(jié)果的分析、后處理及評判等。有限元前處理技術(shù)需要花費(fèi)大量的時(shí)間，所以良好的前處理是有限元分析的前提和關(guān)鍵[1]。本研究就TRT透平主機(jī)焊接機(jī)殼有限元前處理的若干問題進(jìn)行探討。

1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合CAD圖，建立透平主機(jī)焊接機(jī)殼的幾何模型和有限元模型，如圖1和圖2所示?？稍贏NSYS軟件中建立模型，也可以通過CAD或Pro/E軟件繪出實(shí)體圖后保存為IGS格式，再導(dǎo)入ANSYS軟件中[2]。

圖1 焊接機(jī)殼結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of welding shell

圖2 焊接機(jī)殼有限元計(jì)算模型Fig.2 FEM calculation model of welding case

其次，在建模過程中需對模型進(jìn)行簡化，包括細(xì)節(jié)簡化和焊縫數(shù)量簡化。①細(xì)節(jié)簡化方面：幾何模型的細(xì)節(jié)將影響附近的網(wǎng)格大小，造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布復(fù)雜和網(wǎng)格數(shù)增加，甚至不能劃分網(wǎng)格，因此，在不影響全局計(jì)算結(jié)果的前提下，必須合理簡化或忽略細(xì)節(jié)，以獲得更好的網(wǎng)格布局和質(zhì)量。②焊縫數(shù)量簡化：由于整個(gè)機(jī)殼是拼湊焊接的，筋板和一些小的支撐板處的焊縫達(dá)20～30余條，計(jì)算量極大，而這些并非研究重點(diǎn)。因此，在不影響計(jì)算精度的前提下，關(guān)注典型部位焊縫，簡化焊縫數(shù)量。

2 模型材料和性能

建立模型后，需分析焊接結(jié)構(gòu)件的實(shí)際工況，以便確定有限元模型的材料參數(shù)和邊界條件。焊接機(jī)殼選用Q390C材料，其常溫性能如表1所示，高溫性能如表2所示。另外，涉及的相關(guān)物理參數(shù)單位如表3所示。

3 熱分析單元的選定

在進(jìn)行熱分析時(shí)，主要采用SOLID70模擬溫度場，設(shè)定預(yù)熱溫度200℃，參考溫度20℃，并考慮溫度與材料力學(xué)性能的相關(guān)性。讀入熱分析結(jié)果、進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力模擬時(shí)，為了得出自由焊接時(shí)的模擬殘余應(yīng)力，同時(shí)保證有限元模型不產(chǎn)生剛體位移，求解過程穩(wěn)定而不發(fā)散，在法蘭的某一個(gè)角上施加位移約束，約束UX，UY，UZ三個(gè)方向，如圖3所示。這樣既能保證所關(guān)注的部位應(yīng)力釋放，又能使計(jì)算順利進(jìn)行。

表1 Q390C材料常溫性能Table 1 Properties of Q390C at room temperature

表2 Q390C材料高溫性能參數(shù)Table 2 High-temperature behavior of Q390C material

表3 協(xié)調(diào)單位表Table 3 Coordinate units list

4 熱源模型的建立及焊接“生死”單元技術(shù)

焊接熱源的局部加熱、瞬時(shí)及快速移動的特點(diǎn)，易形成在時(shí)間和空間域內(nèi)梯度都很大的不均勻溫度場。而焊接熱源模型是實(shí)現(xiàn)焊接過程數(shù)值模擬的基本條件，不均勻溫度場會導(dǎo)致焊接出現(xiàn)很大的殘余應(yīng)力和變形。因此，利用基于“生死”單元技術(shù)的熱源模型計(jì)算焊接溫度場[3]。

圖3 邊界約束條件Fig.3 Edge-restraint condition

基于實(shí)際生產(chǎn)中焊縫是一層一道焊上去的，而建模時(shí)已將焊縫部分作為實(shí)體建立，因此，有限元計(jì)算時(shí)將已建立的實(shí)體焊縫中所有單元“殺死”，相當(dāng)于焊前裝配狀態(tài)。計(jì)算過程中，按實(shí)際焊接順序“激活”先前被“殺死”的單元，即模擬焊縫金屬的填充焊接，并給激活的單元施加焊接熱源即生熱率。需要注意的是，每計(jì)算完一步，需要刪除該步的生熱率，進(jìn)入下一步的加載計(jì)算，計(jì)算過程同上道焊縫。

為了使單位體積上的熱生成率恒定，本模擬采用在焊縫單元上加載均勻熱流的熱源模式

式中 U為電壓；I為電流；V為熱源作用體積；η為電弧效率。

采用在焊縫部分加載均勻熱流的熱源模式，計(jì)算模型熱源作用時(shí)間即加熱時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中 P決定于焊接方法和規(guī)范。對于焊接電流在100～300 A的熔化極氬弧焊，P=3.8～4.8；對于焊接電流為150～370 A的埋弧焊，P=4。v為熱源移動速度，即焊接速度。

5 網(wǎng)格劃分

TRT焊接機(jī)殼采用智能和自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方法。在進(jìn)行熱力耦合分析時(shí)，必須選擇同時(shí)具有熱力耦合分析功能的單元[4]，而SOLID70符合條件，其屬于8節(jié)點(diǎn)六面體單元，具有較高的計(jì)算精度和計(jì)算效率。

基于單元類型對機(jī)殼實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)機(jī)殼的總體尺寸，控制網(wǎng)格單元大小，細(xì)化焊縫處，采取10 mm網(wǎng)格。對于計(jì)算結(jié)果影響不大的其他部分，采用80 mm網(wǎng)格尺寸，既提高計(jì)算效率，又能保證計(jì)算精度。劃分網(wǎng)格后的模型如圖4所示。

圖4 機(jī)殼網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Partition model of shell gridding

6 焊接工藝

根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)情況，焊接工藝參數(shù)如表4、表5所示，焊前預(yù)熱溫度150℃～200℃，采用直流電源。

表4 焊接工藝參數(shù)（平焊）Table 4 Welding process parameters(downward welding)

表5 焊接工藝參數(shù)（立焊）Table 5 Welding process parameters(vertical welding)

焊接順序?yàn)椋簷C(jī)殼先進(jìn)行整體拼接，點(diǎn)焊固定，整個(gè)機(jī)殼翻轉(zhuǎn)四次，完成全部焊接過程。先焊水平位置焊縫（包括殼體環(huán)焊縫），再將機(jī)殼翻轉(zhuǎn)，分別焊兩側(cè)焊縫（先焊數(shù)量少的一側(cè)，中間有一次翻轉(zhuǎn)），最后將機(jī)殼翻轉(zhuǎn)，中分法蘭朝上焊接所有焊縫。

7 有限元模型邊界條件及載荷的施加

7.1 邊界條件

針對瞬態(tài)熱分析的焊接溫度場計(jì)算，在空氣中焊接時(shí)，初始溫度值應(yīng)設(shè)為室溫，大氣壓力100kPa，環(huán)境溫度20℃。另外，由于焊接結(jié)構(gòu)外表面存在對流和輻射換熱，因此給定一個(gè)總的傳熱系數(shù)，同時(shí)考慮輻射和對流換熱。而本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較龐大，相變對變形的影響較小，可以忽略相變潛熱。

7.2 施加載荷

本次計(jì)算是基于“生死”單元技術(shù)的熱源模型，以生熱率的形式施加載荷。即將熱源作為焊縫單元內(nèi)部生熱處理，同時(shí)考慮金屬的填充作用，采用“生死”單元技術(shù)，即殺死后焊焊縫，激活要焊焊縫的方法逐步填充進(jìn)行計(jì)算。

7.3 分析選項(xiàng)的確定

針對典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，如果分析選項(xiàng)設(shè)置不當(dāng)，計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)難收斂的情況。因此，需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置：

（1）采用Full Newton-Raphson(牛頓-拉普森)方法，即每進(jìn)行一次平衡、迭代，就相應(yīng)修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能。

（2）打開自動時(shí)間步長功能，步長越小，計(jì)算結(jié)果越精確，但過小的時(shí)間步長需要占用很大的計(jì)算機(jī)容量和很長的計(jì)算時(shí)間[5]。為此，本計(jì)算將時(shí)間步長控制在約0.25 s，而冷卻過程中可相應(yīng)逐步增大時(shí)間步長。

8 結(jié)論

主要闡述了TRT焊接機(jī)殼幾何模型的建立、熱源模型的選定、焊縫“生死”單元技術(shù)的應(yīng)用、邊界條件簡化及載荷的施加等問題，介紹TRT焊接機(jī)殼有限元前處理技術(shù)的合理選定及應(yīng)用，為后續(xù)有限元模擬焊接應(yīng)力及變形結(jié)果的精確性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)為實(shí)際生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

[1]潘新安，蘇學(xué)成，李華，等．有限元前處理技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)械，2007，28（4）：68－70.

[2]宋麗平．有關(guān)焊接有限元數(shù)值模擬計(jì)算前處理技術(shù)的探討[J]．熱加工工藝，2012，41（9）：178－180.

[3]王瑩.AV軸流壓縮機(jī)焊接機(jī)殼關(guān)鍵焊縫應(yīng)力和變形分析[D].陜西：西安理工大學(xué)，2007.

[4]查德根，沈景鳳，黃宗益，等．焊接結(jié)構(gòu)件有限元分析中的前處理技術(shù)[J]．上海水產(chǎn)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，7（4）：340-344.

[5]李冬林.焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2003.

FEM pre-processing technology of TRT welding casing

ZHANG Baolin
（School of Material Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China）

Research the welded casing of TRT turbine master，finite element software ANSYS is used to analyze the welding structure of welding case，the analysis process includes welding FEM，stress strain simulation，analysis the calculation results，analysis of the evaluation. Among them，the FEM takes a lot of time.Therefore，good pre-processing is the premise and key of FEM.Combining the welding and finite elementknowledge，someproblemsarediscussedtosolveFEMpre-processingtechnologyinstructuralmodel，modelmaterialsandproperties，thermalanalysisunitselection，heatsourcemodelestablishmentandweldingof"lifeanddeath"unittechnology，mesh，weldedtheprocessand the finite element model boundary conditions and load problems，provide accurate protection for the subsequent finite element simulation calculationsofweldingstressanddeformation.

FEM；geometric model；grid；boundary condition

TG457

A

1001－2303（2017）08－0138-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.29

2017-04-18；

2017-05-31

張保林（1980—），男，講師，碩士，主要從事焊接工藝與檢測的教學(xué)和研究工作。E-mail：276134019@ qq.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張保林. TRT焊接機(jī)殼有限元前處理技術(shù)[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：138-141.