（材料加工工程专业论文）大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用.pdf

中文摘要 中文摘要 为了对大型水轮机蜗壳的焊接残余应力和变形进行数值模拟，本文首先对焊 接热源模型及多层多道焊的温度场进行了研究。焊接温度场的准确定量是焊接应 力应变分析的前提。温度场包含了焊接过程的充分的信息，其研究结果对焊接基 本问题的认识和焊接结构的生产具有重要的作用。 在对已有热源模型分类并仔细分析典型热源模型的基础上，提出了动态热源 模型的概念和热源模型的三要素。并结合红外成像实验，对短路过渡c 0 2 气体保 护焊的温度场进行了研究。发现在熔池及其邻近区域的温度场呈现锥形加喇叭形 的分布特点，不同于以往t i g 焊和手工焊条电弧焊的高斯分布。在上述研究的基 础上，建立了结合电弧热流高斯分布和熔滴热流锥形分布的结合型的热流分布模 式。并经实验验证以及与高斯热源模型的数值模拟结果进行比较，证明其应用于 有熔滴过渡行为的能量密度更加集中的g m a w 的数值模拟结果较好。 此外，在分析多层多道焊的热流特点的基础上，对多层多道焊具体的工艺条 件及对流辐射条件的动态变化对温度场的影响进行了研究，提出了分层采用不同 的热源模型的数值模拟方法。并对每层宜采用的不同的热参数进行了研究，得出 了计算各层热效率值的经验公式。此外，重点对双椭球热源模型的热流分布参数 的取值规律和不同取值所造成的最大热流密度的误差进行了分析，得出了热流分 布参数的一些取值规律。经实验验证，综合应用这些研究结果而建立的多层多道 焊数值分析模型是有效的。 基于上述研究结果，对二滩水电开发有限责任公司的大型水轮机蜗壳的焊接 过程进行了数值模拟。研究了蜗壳的两种典型焊接结构和典型焊缝，即蜗壳瓦片 纵缝焊接和管节组装环缝焊接的应力变形特点，研究结果对蜗壳的焊接生产具有 重要的指导作用。 关键词：焊接温度场；红外成像；数值模拟；结合型热流分布模式；多层多道焊； 大型水轮机蜗壳 a b s l r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os i m u l a t et h er e s i d u a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fl a r g e - s c a l es p i r a lc a s i n g o fw a t e rt u r b i n e ，t h ew e l d i n gh e a ts o u r c em o d e la n dt h et e m p e r a t u r ef i e l do fm u l t i p a s s w e l d i n ga r es t u d i e di nt h i sp a p e r i tp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rw e l d i n gs t r e s s - s t r a i n a n a l y s i st oq u a n t i f ya c c u r a t e l yt h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d t e m p e r a t u r ef i e l d c o n t a i n sa d e q u a t ei n f o r m a t i o na b o u tw e l d i n gp r o c e s s ，s oi ti sv i t a lf o ru n d e r s t a n d i n g b a s i cw e l d i n gp r o b l e m sa n d p r o d u c i n gw e l ds t r u c t u r e t h ee x i s t i n gh e a ts o u r c em o d e l sa l ec a t e g o r i z e da n dt h et y p i c a lo n e sa r ea n a l y z e d ， b a s e do nw h i c ht h ec o n c e p to fd y n a m i ch e a ts o u r c em o d e la n dt h r e ee l e m e n t so f w e l d i n gh e a ts o u r c em o d e la r ep r o p o s e d w i t ht h ec o n c e p ta n d t h ei n f r a r e di m a g i n g e x p e r i m e n t , t h et e m p e r a t u r ef i e l d o fs h o r tc i r c u i t i n gc 0 2g a sa r cw e l d i n gi s r e s e a r c h e d i ti sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fw e l dp o o la n di t sa d j a c e n t a r e ah a sac o m b i n e ds h a p eo fc o n ea n dt r u m p e t , w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h eg a u s s i a n d i s t r i b u t i o no ft i gw e l d i n ga n dm a n u a lm e t a la r cw e l d i n g s u b s e q u e n t l yt h e c o m b i n e dh e a td i s t r i b u t i o np a t t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o m b i n e dt h eg a u s s i a nh e a t d i s t r i b u t i o no fa r ca n dt h ec o n i c a lh e a td i s t r i b u t i o no fd r o p l e t s i ti sc o m p a r e dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l to fg a u s s i a nh e a ts o u r c em o d e la n dt h a to fe x p e r i m e n t i ti sf o u n d t h a tt h ea p p l i c a t i o no fc o m b i n e dh e a td i s t r i b u t i o nt og m a ww i t hm o r ec o n c e n t r a t e d e n e r g y , i nw h i c hd r o p l e ti st r a n s f e r r e d ，p r o d u c em o r ea c c u r a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t b a s e du p o nt h ea n a l y s i so fh e a tc h a r a c t e r si nm u l t i p a s sw e l d i n g ，t h ei n f l u e n c eo f w e l d i n gt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ed y n a m i cv a r i a t i o n o fc o n v e c t i o na n d r a d i a t i o no nt h et e m p e r a t u r e 啪i n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o nm e t h o df o ra d o p t i n g d i f f e r e n th e a ts o u r c em o d e lp a r a m e t e r si nd i f f e r e n tp a s si sd e v e l o p e d t h ea p p r o p r i a t e h e a tp a r a m e t e r si ne a c hp a s sa r ed i s c u s s e d a n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l at oc a l c u l a t et h e h e a ti n p u te f f i c i e n c yi sd e r i v e d i na d d i t i o n ，d i f f e r e n tv a l u es e t t i n g sf o rh e a t d i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so fd o u b l ee l l i p s o i d a lh e a ts o u r c em o d e la n dt h em a x i m u m e r r o r si nh e a tf l u xc a u s e db yt h e ma r ee m p h a s i z i n g l ya n a l y z e d ，a n ds o m el a w st os e t v a l u e sa r eo b t a i n e d i ti sv e r i f i e db ye x p e r i m e n tt h a tt h em u l t i p a s sw e l d i n ga n a l y z i n g m o d e lw h i c hi ss e tu pb yi n t e g r a t e da p p l i c a t i o no ft h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t si s e f f e c t i v e o nt h eb a s i so fw h i c ht h ew e l d i n gp r o c e s so fl a r g e s c a l e s p i r a lc a s i n go fw a t e r a b s t r a c t t u r b i n eo fe r t a nh y d r o p o w e rd e v e l o p m e n tc o m p a n yi ss i m u l a t e dn u m e r i c a l l y t h e s t r e s sa n dd e f o r m a t i o np r o c e s si nl o n g i t u d i n a lw e l d i n go fs p i r a lc a s i n gs h i n g l ea n d t h a ti nc i r c u m f e r e n t i a lw e l d i n go fp i p es e g m e n t sa l ee x p l o r e d ，w h o s er e s u l t sw i l l d i r e c tt h ew e l d i n gp r o d u c t i o no fs p i r a lc a s i n g k e yw o r d s ：w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，i n f r a r e di m a g i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， c o m b i n e dh e a td i s t r i b u t i o np a a e m ，m u l t i p a s sw e l d i n g ，l a r g e - s c a l es p i r a lc a s i n go f w a t e rt u r b i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞态堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲断舱。签字隰埘7 年f 月f r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：龛匆前睡 导师签名： 学位论文作者签名：是形前陆 导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：。岬年，月歹r ： 矽弗 第一章绪论 1 选题的背景与意义 第一章绪论 1 1大型结构焊接过程数值模拟研究的必要性 随着我国经济建设的蓬勃发展，对大型甚至超大型焊接钢结构的需求越来越 多，而且其应用领域也越来越广。尤其是近几年来我国在大型焊接钢结构的开 发与应用方面创造了建国以来的最高水平，有的已成为世界第一。 在水电建设方面，长江三峡水电站的水轮机转轮如图1 一l 所示，其直径 1 07 m 、高54 m 、重4 4 0 t ，为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮。同样，长江三 峡水电站的电机定于座和蜗壳的结构也是巨大的，其中电机定子座直径2 2 m 、高 6 、重8 3 2 t 是在我国焊接的最大钢结构机座。蜗壳如图l 一2 所示，其进水口 直径1 24 田。总重量7 5 0 t ，为世界最大、晟重的焊接蜗壳。 图l l 世界最大的三蛱水轮机转轮图1 2 三峡水电站焊接中的蜗壳 在建筑方面，焊接结构的应用也取得很大的进步。例如号称“世界第一拱桥” 的上海卢浦大桥，长3 9 0 0 m 、跨度5 5 0m ，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥。 上海的金茂大厦是我国目前最高的摩天大楼，采用焊接钢结构框架，共有8 8 层， 高4 2 0 柚。建造中的国家犬剧院，其椭球形穹顶长轴2 1 2 2 m ，短轴1 4 30 4 m ，高 4 62 8 m 焊接钢结构的总重量达6 4 7 5 t ，将成为世界最大的穹顶。 在造船方面，我国毫造的最大载重量之一的3 0 万吨超大型原油船长3 3 3 m ， 宽5 8 m 。国产最大的半冷半压液化气船，总长1 5 49 8 m ，宽2 3 】0 m ，载重量1 7 9 0 0 t ， 其中3 个液态货罐总容积1 6 5 0 0 立方米。 在压力容器的制造方面，我国也取得很大进步。例如焊接制造了总重量达千 第一章绪论 吨、壁厚2 8 0 r i o n 的大型热壁加氢反应器；焊接制造了6 0 0 1 唧热电站锅炉，其汽包 长3 0 m ，壁厚2 0 3 r a m ，重2 5 0 t 。 在航空航天方面，近年建成了国内最大的空间环境模拟装置，它是一个大型 不锈钢整体焊接结构，主舱是一个直径1 8 m ，高2 2 m 的真空容器，辅舱直径1 2 m 。 在国产j 1 1 飞机上的全焊钛合金重要承力结构件的总重量达到飞机机体重量的 1 5 。 上述的一些大型焊接结构的例子都是我国近年来焊接的最大、最重、最长、 最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品l l j 。我国在2 0 1 5 年以前，水电、火 电、核电、冶金、矿山、石化等重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求【2 1 。 不仅对大型焊接结构的需求增加，而且对其制造技术的要求也越来越高。 重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制造，大件制造的关键又是热加 工工艺 2 1 。我国在实际建造大型焊接结构的过程中，积累了十分宝贵的焊接生产 经验。但是对大型焊接结构生产技术的掌握是缓慢低效的，甚至也出现过焊接失 败而返修的实例，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。 例如，1 9 7 4 年刘家峡4 号机组蜗壳与座环蝶形边焊缝在施焊后一周内全部产 生贯穿性裂纹，蜗壳混凝土无法浇筑。其原因在于座环蝶形边与蜗壳开口段连接 的过渡段材质没有经正火处理，导致材料结晶粗大，焊接性能极差。不得不将已 浇入混凝土的座环连同基础一并凿出，只将蜗壳留在机坑内，座环返厂再加工处 理后重新运至现场吊入机坑，与在机坑中的整体蜗壳装配焊接。此事件引起座环 结构设计的革新，纯平板型座环结构因此出现，同时带过渡段的平板型座环的厂 内选材和热处理亦成为检验座环制造质量的重要项目。 又如，1 9 9 8 年小浪底水电站第一台机组水轮机蜗壳挂装，由于对国外某公司 的焊接工艺要求不适应和中外各方在焊接检验方法、检验标准的不一致，导致成 型焊缝多次铲除重焊、反复修补的不应发生的施工事故，拖延了直线安装工期。 此后，对蜗壳一、二类焊缝的焊接工艺要求和探伤检验标准有了新的认识，修正 了我国安装标准中的部分规定。 根据雅砻江流域开发战略，二滩水电开发有限责任公司将在今后二十年内陆 续系列开发官地、桐梓林、两河口等电站。虽然各电站参数、机组结构形式、运 行条件等不同，但是对于水电站机组具有共性的重大技术问题进行深入研究，指 导该流域系列开发具有十分重要的经济效益和社会效益。因此，提出了水轮机大 型钢制蜗壳的焊接过程的数值模拟等前瞻性课题，以其指导大型蜗壳的现场安装 焊接生产。 大型结构的焊接生产工艺的研究，虽然也不外乎是实验方法和理论方法，但 是由于其独有的特点，自有其特殊的研究规律。 第一章绪论 由于大型焊接结构造价高、生产周期长等原因，对大尺寸部件及整体结构进 行实验研究几乎是不可能的事情。此外，仅仅依靠经验并不能全面地、定量地掌 握焊接规律且效率较低，对于新产品也不得不积累新的经验。这些经验的获得往 往需要在试制过程中付出较高的代价。例如，在气轮机转子主轴的生产中，为了 保证多节耐热钢部件焊后的同心度，曾采用1 ：1 模拟件进行焊接实科3 1 。根据 经过大量实验得出的结果确定最后的生产工艺，其代价可想而知。 理论研究方法之一的数值模拟技术通过一组描述焊接基本物理过程的偏微 分方程及其边界条件来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得对焊接过程的定 量认识。采用科学的数值模拟技术和少量的实验验证代替过去一切都要通过大量 重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解 决一些目前无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。在制造业，计算机模拟与 仿真可以增加材料利用率2 5 ，节约生产成本3 0 ，产品设计至实际投产的时间 缩短4 0 1 4 j 。焊接本身的特点是高温、动态、瞬时，难于观察和测试，而且由于 其多因素、强耦合、非线性、非稳态的特点也难以用基础理论进行定量，所以对 焊接过程的数值模拟研究是十分必要的。计算机模拟是使包括焊接在内的热加工 工艺研究从“定性 走向“定量、从“经验 走向“科学的重要标志【5 】。 因此，利用先进的计算机模拟技术来模拟大型结构的焊接生产过程，进而预 先把握其生产规律，对于提高制造质量，缩短工期是十分重要的。结合大型焊接 结构的建造实际进行数值模拟研究，不仅有利于对大型焊接结构建造规律的科学 把握，而且将有利于迅速积累建造经验提高生产效率，犬大节约人力、物力和时 间，势必带来巨大的经济效益和社会效益。 1 1 2 大型厚壁结构焊接过程数值模拟存在的主要问题 目前，随着计算机硬件水平的不断提高和大型有限元分析软件的日益成熟， 焊接工作者对各焊接领域的问题以多种形式的数值模拟研究方式做了大量的工 作，取得了诸多进展，对焊接本质的认识进一步加深。但是，由于受计算机硬件 水平和大型有限元分析软件水平所限，对大型结构的焊接过程进行数值模拟研究 的还很少。 大型厚壁结构焊接过程数值模拟主要存在如下困难和问题： 】没有成熟的焊接数值模拟的理论基础 基础学科理论不能十分有效地、直接地解释实际的复杂的焊接过程，难以定 量地指导焊接生产，所以在数值模拟之前的焊接工艺设计大多建立在经验的基础 上。目前的焊接数值模拟，也还是基于通用于各领域的热学和力学等理论如傅立 叶传热定律、虚功原理等。虽然在这些基础理论之上的数值模拟研究成果，加深 第一章绪论 了对复杂焊接物理现象的本质和规律的了解，但很难具有较广泛的通用性。此外， 由于没有成熟的、适合焊接加工特点的基础理论指导，为了建立数学模型或物理 模型只能大大简化或近似实际的焊接过程，这带来了精度上的不足。 具有焊接特点的有限元分析的基础理论研究不足，直接影响到大型厚壁焊接 结构的数值模拟研究。 2 焊接数值模拟技术还不太成熟 焊接过程十分复杂，是一个高温、动态、瞬时过程，产生一系列复杂的物理、 化学、冶金变化，难以直接观察，间接测试也十分困难。以电弧焊为例，发生电 磁、传热、金属的熔化和凝固、金属组织转变、应力和变形等焊接现象。因此， 焊接是一个涉及电磁学、热学、力学及冶金学等的复杂工艺过程。单从热学角度 而言，存在着焊接热流密度高度集中，温度分布极不均匀而且动态变化，材料力 学性能随温度变化而表现为高度非线性等现象。由于焊接形式多样、现象复杂， 因而采用不同形式的焊接热源模型和数值分析模型是很正常的。但是，即便是现 象相近、应用最广的熔化极气体保护电弧焊，其热源模型和数值分析模型也是多 种多样，得出的结果也相差较大，成为焊接数值模拟技术不太成熟的一个显著标 志。而且，相关技术资料如材料高温性能数据的缺乏、相关技术如计算机技术的 发展等等均严重制约焊接数值模拟技术的发展。 焊接过程虽然十分复杂，但是一些基本的共性的焊接问题的数值模拟技术的 规范化，是今后焊接数值模拟应致力于的一个发展方向，以期建立一个正确的可 靠的焊接数值模拟技术发展的平台。 焊接数值模拟技术的不太成熟，也影响到大型厚壁结构焊接数值模拟研究的 进展。 3 多层多道焊三维数值模拟研究较少 大型厚壁结构往往采用开坡口多层多道焊工艺。严格意义上说，实际的焊接 过程均是在三维空间发生。与此相对应地，三维数值模拟结果往往比简化的二维 数值模拟结果更接近于焊接实际。例如，研究表明，大型结构中远离焊缝的弹性 体在焊接变形协调中所起的作用是不容忽视也无法用简单方法替代 6 - 9 1 。尤其是 在起弧端和收弧端，未达到准稳态，并且构件本身的拘束条件也比较特殊，与准 稳态区域的假设相去甚远，而此区域又往往是焊接工程结构分析的重点，用二维 分析替代三维分析将产生较大的误差【6 j 。 多层多道焊的数值模拟以往因为受限于计算机水平和模拟技术水平，采用二 维研究的实例较多，为三维模拟奠定了一定的基础，但是对多层多道焊的三维数 值模拟及其特点研究不足【l o 】。存在的主要问题是： ( 1 ) 根据不同坡口形式及电弧潜入深度，应如何选取电弧热效率? 电弧热效 第一章绪论 率的取值直接影响热输入总量，十分关键。 ( 2 ) 每层焊道采用同样的热源模型显然是不合理的，那么应采用何种热源模 型或者如何改变热源模型的参数以便适应不同焊层的差异性? ( 3 ) 随着在坡口内的熔敷逐步进行，辐射对流边界条件是动态变化的。虽然 区域不大但由于处于高温状态且在敏感区即焊缝处，故不宣忽略。那么，应如何 处理? 如果欲进行多层多道焊的三维数值模拟，上述三个问题是不宜回避的。 4 计算量十分庞大，计算时间过长 大型厚壁结构本身的焊接量是十分巨大的，如图l 一1 所示的三峡水电站的水 轮机转轮，每个需要消耗1 2 吨焊丝【1 1 。此外，由于焊缝附近处的大的温度和应 力梯度，为保持精度应该采用细密的网格划分，这大大增加了计算量，进一步导 致大型焊接结构数值模拟难度的增大。 对于焊接过程的准确数值模拟需要尽量真实地用计算机技术再现焊接过程， 需要较高的计算精度，因此大型焊接结构的计算量十分庞大。以现在的计算机水 平，如果采用普通的数值模拟技术是几乎不可能或是从成本和效率上计是不可行 的。例如，计算1 0 0 m m 长的8 道焊、1 1 9 7 2 个s o l i d 7 0 单元的有限元模型的热 过程，在3 2 g h zi n m lp c n t i u m 4c p u 、2 g b 内存的条件下用时约4 0 3 6 小时，保 存每个子步计算结果时所占用硬盘空间为1 2 0 5 g b 。又如 6 1 ，对1 0 7 7 2 个壳单元 的有限元模型进行焊接过程的热力耦合分析，用o r i g i n 2 0 0 0 工作站6 个c p u 并 行计算，一个时间增量步约需4 0 0 s ，通常情况一条1 0 m 长焊缝需1 0 0 0 0 时间增 量步，则焊接过程的计算约需4 6 3 天。即使计算速度再提高1 0 倍，对于实际构 件中数十米甚至上百米焊缝的数值分析那也是不可行的。 1 2 高效数值模拟方法及大型厚壁焊接结构数值模拟的研究进展 无论是高效数值模拟方法还是对大型厚壁结构焊接过程数值模拟研究，均是 在一般的数值模拟方法及应用研究的基础上衍生发展而来的。 从计算方法而言，焊接过程的计算是从1 9 4 1 的d r o s e n t h a l 和1 9 4 7 年的 h r y k a l i n 的解析法开始的。几乎同时，与计算方法并行的实验方法也得到极大 的重视。如c m a d a m s 等，1 9 5 8 年在拉氏方程的基础上进行大量实测，积累了不 同材料、不同板厚及不同焊接参数下的温度测量数据，再从物理概念出发进行整 理归纳，建立了一系列传热学计算公式【1 。随着数值分析学科和计算机技术的 发展，计算方法逐步过渡到有限差分法和有限单元法。其它数值法如有限体积法 也得到一些应用，如印度的s m u r u g a n 等将其用于平板多层多道焊的温度场分析 第一章绪论 中。由于有限单元法具有很强的灵活性和适用性等优点，近几年在焊接数值模拟 中逐渐占据了主导地位。 从焊接数值模拟计算规模而言，是从一维、二维而三维，基本上取决于当时 的数值分析技术水平和计算机水平。由于三维分析更符合大多数的实际焊接过 程，目前采用三维分析较多。但个别场合，二维分析的解不比三维分析的解逊色， 而且效率大大提高。 从焊接数值模拟的种类而言，包括焊接热传导分析、焊接熔池流体动力学分 析、电弧物理分析、焊接冶金和组织性能分析、焊接应力与变形分析、焊接氢扩 散分析及特种焊接的过程分析等，在许多方面均展开了研究，取得了显著的成绩。 在上述的研究进展中，均伴随着寻求高效数值模拟方法的研究。这是因为， 即便是计算机飞速发展的今天，其计算速度仍难以满足众多科技工作者的要求。 这就使得追求高效数值模拟方法的脚步从未停歇。当然，获得精确的结果一直以 来也是为科技工作者所追求的另一重要目标。精度和效率是数值模拟不可偏废的 一对矛盾体。目前来看，效率往往是在牺牲一定的精度的基础上得到提高的。提 高计算效率应该是在必要的精度上的提高；而一味地追求精度，在工程上也是没 有必要的或者是不合算的。 1 2 1 高效数值模拟方法 目前，高效数值模拟方法的研究取得一定的进展。下面简述一下得到应用的 主要的高效数值模拟方法。 1 简化法 是最直接、最简单且最有效的办法，主要分为实体模型的简化和物理模型的 简化。a 、实体模型的简化：利用结构的对称性取其1 2 、1 4 、1 8 等进行分析。 可大大减小分析和计算的规模，不仅满足了了解整体结构的要求，而且可以适当 地加密网格划分，提高计算精度。如单层对接平板一般可以取其1 2 进行分析。 值得注意的是，一些小的细节对分析来说并不重要，为避免模型的复杂性而不必 在实体模型中体现。但有时某些细节如应力集中的小孔，可能非常重要，忽略与 否取决于用户分析的目的。b 、物理模型的简化：通过对分析对象各物理现象之 间相互关系的研究，突出主要矛盾而忽略不太重要的物理现象，即忽略弱耦合现 象而简化物理模型，如进行焊接热分析时忽略力场导致的变形热对温度场的影响 等。可以大大地降低分析问题的非线性程度，进而提高计算效率。 上述两种简化法经常同时使用，可进一步提高计算效率，但应该权衡模型简 化带来的好处与精度降低的代价来确定忽略内容的取舍与程度。 2 固有应变法 第一章绪论 固有应变是表征材料从应力状态切离后处于自由状态时，与基准状态相比所 发生的应变【l2 1 。焊接过程中的固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变， 而焊接结束后固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之和。该方法的关键是得 到固有应变量的大小和范围，而这往往是通过大量实验或生产实际积累得到。所 以该方法是通过在大量生产经验基础上建立的假设条件，将瞬态热弹塑性分析转 化为静态纯弹性力学问题。避免了数值模拟中的瞬态分析和高温导致的计算难 点，可以大幅度地减少计算时间，且结果具有一定的准确性。但随着新材料、新 工艺的不断涌现，该方法需要积累在新材料、新工艺基础上的经验规律，这在目 前计算机技术和焊接生产技术的发展水平下，已无法满足理论分析和生产实践的 需要。而且，由于该方法以在生产经验上建立的假设条件为基础，对于通过优化 工艺来改善焊后应力状态的要求也难以满足【6 ，1 3 】。 3 网格自适应技术 网格自适应技术是一种根据求解精度的要求，自动调整网格粗细以便高效处 理存在局部大梯度分布问题的方法。最早由j m j m c d i l l 等人提出，并在焊接领 域得到应用1 1 4 】。 焊接结构数值模拟自由度数目庞大的主要原因之一是：焊缝及其附近区域在 空间上的温度梯度及应力应变梯度非常大，整条焊缝及其附近区域需用很细的网 格划分才能得到必要的精度。而焊接的实际过程是，在时间上的某个时间段只有 电弧附近的局部区域的金属经历了快速的温度变化过程，并产生了较大的残余应 力。因此，将焊缝及其附近区域的网格在开始时划分得较粗，随着焊接热源的移 动，自动将熔池附近的网格细分为必要的数目以便保持计算精度，其它区域仍保 持初始网格划分。这就大大地减少了单元和节点的数目，缩短了计算时间。 网格自适应技术的关键问题之一是网格细分判据的设定。h r u n n e m a l m 等【1 习 通过对不同的网格划分判据进行研究，发展出综合优化判据，使网格划分更加合 理。作为一种简化方法，许多研究者采用空间位置作为判据，设定一封闭区域作 为判断细分的空间位置，所有进入此区域的网格均自动进行细分。采用网格自适 应技术可以节约1 3 左右的计算时间。从计算精度来看，与整条焊缝都采用细网 格划分相比，温度场与变形的计算结果相近，但应力分布有一定的误差【6 ，1 3 】。 4 并行计算技术 是目前有限元数值模拟中缩短计算时间的主要手段之一，是以硬件为基础的 高效数值模拟技术，因此成本较高。由于计算机c p u 的发展速度跟不上工业技术 发展对计算速度的要求，因此提高计算机性能的主要方向为采用分布式并行计算 技术。但由于并行程序编制的复杂性及其与硬件的相关性，目前这方面的进展一 直较缓慢。即使世界上一些著名的有限元分析软件如a n s y s 也只是在最近几年 第一章绪论 才开始推出并行计算版本。 清华大学l l 副在s g i 公司的o r i g i n 2 0 0 0 服务器上，应用商用软件m a r c 对并行 计算的效率以及选用求解器的种类在各种不同匹配下的计算时间进行了分析对 比。结果显示，在加速比以每种类型求解器单c p u 时运行速度为基数的情况下， 加速比与c p u 个数相差无几，加速性能极为优越。随着c p u 数的增加，并行计算 的优越性会更加明显，但对并行计算软件及硬件资源的合理配置的要求也相应提 高。 5 快速收敛技术 想要使迭代过程快速收敛，就要降低非线性程度。而在焊接数值模拟中，高 温性能参数的匮乏以及某些参数实验结果的稳定性和准确性差，进一步加剧了收 敛的困难。 材料在足够高的温度下，屈服极限和弹性模量等重要参数的数值将失去其实 际物理意义。但由于焊接过程的残余应力和变形的数值模拟基本上是以弹塑性理 论为基础的，因此这些参数应该是非零值。而这些参数取值过小会导致收敛的困 难，并且即使收敛也会使计算时间大幅度增加，参数取值偏大又会影响结果的准 确性。许多学者采取的自然外推法，都是已有数据曲线的自然延长。 清华大学l l6 j 在从资料获得的高温段数据的基础上，建立了4 种材料高温屈服 强度假设，分别对不同温度区间的性能进行了适当的修正，以考察其对计算效率 和精度的影响。结果表明，选用合适的材料高温力学性能假设方案，避免材料性 能在熔点附近区域出现极低值，可以使焊接过程数值模拟的计算效率得到一定程 度的提高，而计算所得残余应力与应变的结果几乎不受影响。 6 反复增量全应变法【r 7 ，1 8 】 日本大阪大学的研究者认为目前的求解方法主要是由于下面两个问题导致 高的计算时间：a 、为了保持精度应该使用小的温度增量，如此则使得迭代次数 大大增加；b 、在每一个增量步中，求解超大的联立方程组。迄今为止，为了缩 短计算时间主要采用初期应变法来求解弹塑性和热弹塑性问题。初期应变法本来 是一种高效求解塑性行为的，未能考虑弹性系数的变化。弹性系数与应力直接相 关且在焊接这样的温度变化剧烈的场合下弹性系数变化极大。因此，为了能够考 虑弹性系数的变化，对包括弹性应变的全应变进行增量计算。该方法首次求解时 只求解一次超大的联立方程组即可。此外，由于材料力学性能随温度变化大以及 在一个增量步中材料可能从弹性状态变化为弹塑性状态，因此通常的迭代法应该 使用小的温度增量。如果采用大温度增量且按弹性计算的话，计算出的应力有可 能远远超过屈服应力。研究者活用合并使用增量法和迭代法时的优点，导出了即 便是在大的温度增量下也可以得到高精度热弹塑性解的求解方程式，从而大大缩 第一章绪论 短了计算时间。基于此理论开发出的热弹塑性分析软件可以采用比普通方法大几 十倍的温度增量。为评估此方法的计算性能，分析了热弹塑性比较复杂的焊接问 题。结果表明，求解9 6 0 0 个单元、4 9 11 个节点的热弹塑性问题时，在保持求解精 度的前提下，求解时间比通常的增量法大约缩短了1 0 倍。 除上述一些方法外，还有将高温区分离的子结构技术【1 6 1 9 1 、弹簧单元法【2 0 】、 收缩力法【2 1 】及线弹性体积收缩法【2 2 】等提高计算效率的方法。 1 2 2 大型焊接结构数值模拟 1 9 9 2 年，美国麻省理工大学对大型的圆柱形壳体与其环形加强箍之间的角接 焊进行了有限元模拟f 7 ，9 】。认为，一般的焊接数值模拟过分强调了焊缝这一局部 区域而忽略了周围的结构对焊缝及其附近区域的作用。周围结构通过两方面对焊 缝区域施加影响：一是通过结构的弹性约束；二是通过因热膨胀而导致的结构变 形。此外，随着电极移动、金属熔敷而逐渐连接两块分离焊件的焊接行为改变了 结构的属性，而且两焊件装配间隙逐渐增大等均使其数值模拟复杂化。 1 9 9 6 年，哈尔滨工业大学在进行直径为1 2 m ，厚度为2 2 m m 的大型法兰焊接中， 利用有限元与固有应变法相结合有效地控制了焊接变形【2 3 2 4 1 。这是生产经验和 数值模拟技术的综合应用。 2 0 0 1 年，清华大学利用收缩力法对大型起重机主梁焊接变形进行了模拟与控 制。并通过对移动热源分段化处理，建立了分段移动热源模型，在保持必要精度 的同时极大地提高了计算效率。利用此新的热源模型并结合相似性理论，针对长 江三峡工程用特大型桥式起重机主梁焊接变形难题，研究了各关键工艺因素对主 梁上拱值的影响i 从而提供出整套定量化的工艺指导，成功地进行了大型结构焊 接变形的精确控制【6 ，2 1 1 。 2 0 0 4 年，日本川崎重工和大阪大掣1 9 】联合开发了i s m 法( i t c r a t w es u b s t r u c t u r e m e t h o d ) 用于缩短大型三维数值问题的求解时间。并为了证明该方法应用于计 算大型数值模拟问题的有效性，计算了具有1 5 0 0 0 0 个单元、1 8 0 6 0 0 个节点、5 3 8 2 0 0 个自由度的超大型钢管焊接问题，用时7 9 2 d 时，内存占用1 6 8 g b ( c p u 为 i t a n i u m 2 ，1 5 g h z ；内存2 4 g b ) 。该方法主要是根据焊接时只有热源附近是强非 线性的特点，将实体模型划分为强非线性区域和弱非线性区域，从而大大降低了 非线性求解的迭代次数进而大大缩短了求解时间。 1 3 课题研究的目的和内容 综上所述，如何在保持一定精度的前提下高效地对大型焊接结构进行数值模 第一章绪论 拟，以便对其制造过程的把握一直是世界性难题f 6 1 。本文根据二滩水电开发有限 责任公司对大型水轮机蜗壳焊接过程数值模拟的要求，对其展开研究工作，力求 在大型焊接结构数值模拟及其实用化方面取得进展。此外，由于焊接时的热过程 是构件应力和变形分析的前提，也是许多焊接问题的根源，具有非常基础的重要 的作用。因此，焊接热过程也是本文研究的重点。 根据目前国内外焊接数值模拟的研究现状，尤其是大型厚壁结构数值模拟存 在的问题，确定本文的研究内容主要如下。 1 适合的热源模型的研究 电弧焊的几乎所有焊接过程现象均与焊接的热作用相关，可以说，焊接温度 场是研究其它焊接现象的基础和出发点。而影响焊接温度场的因素很多，除了焊 件的特性之外，主要与热源特性相关。除焊接规范参数、焊件的形态等比较确定 的因素外，根据实际的焊接过程选择正确的热源模型和准确的材料热物理性能参 数直接影响到温度场模拟结果的准确性和精确性。而在目前材料热物理性能数据 缺乏的现实条件下，热源模型的正确选择显得更加突出和重要。这也正是热源模 型众多，而且每出现_ 种实用的热源模型便能使焊接数值模拟技术向前推进一步 的根本原因。本文也不例外，对热源模型给予足够的关注。根据蜗壳焊接中主要 使用手工焊条电弧焊及生产效率更高的半自动c 0 2 气体保护焊的实际情况，在实 验的基础上，试图建立一种适合有熔滴过渡行为的，结合了电弧热和熔滴热的新 的热源模型。， 2 多层多道焊数值模拟的研究。 大型焊接结构也往往是厚板焊接结构，而厚板焊接采用开坡口多层多道焊方 式居多。例如，大型水轮机蜗壳的焊接多是采用多层多道手工焊条电弧焊来完成。 所以本文采用数值模拟方法研究大型厚壁焊接结构，应该解决多层多道焊的数值 模拟问题。 根据多层多道焊的特点，分别研究坡口形式及电弧潜入深度对焊接热效率的 影响、电弧偏位对焊接温度场的影响、对流辐射条件动态变化对温度场的影响以 及在分析多层多道焊热流密度分布特点的基础上，探讨热源模型参数变化的必要 性等一些多层多道焊数值模拟的基本问题。 3 大型水轮机蜗壳焊接过程的数值模拟研究 即便是计算机技术飞速发展的今天，大型焊接结构的计算量庞大问题，依然 是牵制大型焊接结构数值模拟发展的根本问题之一。在焊缝附近，温度梯度和应 力梯度均很大，而远离焊缝区迅速减小。因此，对于大型结构而言，温度和应力 是局部量，对网格划分粗细比较敏感。但是，焊接变形由于受结构各部分变形协 调的影响，反映的是结构或构件的相对位移变化。因此，变形是一个整体量，对 第一章绪论 网格划分粗细不太敏感。根据焊接结构的上述特点，采用不同的网格划分尺寸及 不同分段数的分段移动热源进行计算，以便大大降低计算量而又保持一定的计算 精度。 将如上的新的热源模型、多层多道焊数值模拟的研究结果与分段移动热源模 型相结合，应用于一个实际的焊接结构即二滩水电开发有限责任公司大型钢制蜗 壳的焊接过程模拟，以期在蜗壳制造经验的基础上实现对钢制蜗壳焊接过程规律 的进一步的定量把握。并且进一步考察研究结果的实用性及大型焊接结构数值模 拟的特点。根据蜗壳的结构特点和工艺特点，重点分析蜗壳焊接中具有普遍性的 蜗壳瓦片的焊接( 一类焊缝：蜗壳瓦片的纵缝) 和蜗壳管节的焊接( 二类焊缝： 蜗壳管节的环缝) 。 第二章熔化极电弧焊的结合型热源模型 2 1 前言 第二章熔化极电弧焊的结合型热源模型 焊接热源无论电弧、光束还是火焰等等，大都具有移动和局部集中的特点， 容易在焊件中形成在空间上和时间上梯度很大的不均匀温度场，而此不均匀温度 场是导致焊接残余应力与变形的根本原因。研究焊接热过程中最主要的因素即热 源及其作用特点具有重要的理论意义与工程实用价值。 在电弧焊中，熔化极电弧焊由于存在熔滴过渡过程，因此其热过程的数值模 拟更为复杂。存在的一些主要问题除了材料的高温热物理性能数据缺乏、热流分 布参数的确定困难、电弧热效率取值范围过大等共性问题外，尚存在对熔滴过渡 行为及焊接熔池现象研究不充分等问题1 2 5 1 。可见，存在的上述问题除了热量接 受者即焊件的热物理性能参数之外，均与热量提供者即电弧、熔滴及熔池有关。 2 1 1 电弧、熔滴及熔池的相互作用关系 传统意义上的焊接热源是电弧，而从焊接热过程数值模拟意义上而言，电弧、 熔滴及熔池均可按热源处理。这3 个热源之间的关系如图2 - - 1 所示。 图2 1 电弧、熔滴及熔池的相互作用 第二章熔化极电弧焊的结合型热源模型 由图9 , - - 1 可见，电弧作用于焊接材料和焊件上形成熔滴和熔池，熔滴主要在 热、力和质量方面对熔池作用并最终进入到熔池；而熔滴和熔池反过来对电弧也 有一定的影响，从而影响到电弧的热作用效果。高速运动的熔滴进入熔池，不仅 使熔池内的传热、对流及传质等过程均发生一系列复杂的变化，而且使熔池表面 产生较大的变形，它们将直接影响熔池形状、结晶及其它物理冶金性能。短路过 渡时，熔滴对熔池主要是在热传递方面作用比较明显。焊接电弧的热和力学特性 直接影响着熔池的热流分布、液态金属的流动和热传递，而熔池中液态金属的流 动强烈地影响着熔池的几何形状。熔滴短路过渡时的电弧短时熄灭、熔池的变形 影响电弧在熔池表面的热流分布等等体现出熔滴和熔池对电弧的反作用效果。 从焊件的热传导角度来看，如果忽略电弧对焊件除电弧作用处之外的区域的 辐射传热的影响，则可以说，熔池是唯一的、直接的作用热源。熔池的形状、大 小以及热流密度分布直接影