基于Abaqus汽轮机低压缸端板焊接数值模拟

韦 康 吕 涛 张志莲 肖云峰

(1. 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院；2. 北京石油化工学院机械工程学院)

随着计算机技术的发展，有限元数值模拟计算方法得到极大的推广，该方法可以避免依靠经验的无定量性和依靠试验的大量耗费成本性缺点，从而提高生产效率、减少生产成本。笔者运用专用有限元软件Hypermesh对模型划分高质量网格，通过焊接专用有限元软件Sysweld提取焊缝的热循环曲线，将热循环曲线作为数值模拟的载荷进行加载，通过大型通用有限元软件Abaqus并采用热弹塑性有限元法和生死单元法对汽轮机低压缸端板的焊接变形进行数值模拟计算，得到该结构的焊接残余应力和焊接变形。

1 模型建立及焊接工艺

1.1端板模型建立

低压缸端板模型如图1所示，端板由底板和加强板焊接而成，加强板焊接在底板上以增加结构强度。该结构内圈半径R1为3 250mm，外圈半径为R2为7 050mm，底板厚25mm，加强板厚25mm。端板结构对称，为减少模拟计算量，取端板结构的1/2进行模拟。端板采用结构化8节点的六面体单元，计算温度场采用DC3D8单元类型，计算热应力采用C3D8R单元类型，端板的单元数为133 379，节点数为186 656。该结构的有限元网格划分如图2所示。

图1 端板几何模型

图2 有限元网格模型

为保证计算的精确度，划分网格时需将焊缝周围网格进行细化，远离焊缝位置网格划分较稀疏，如图3所示。

图3 局部有限元网格

1.2热源模型

焊接热源模型应根据结构的实际焊接过程进行选择。双椭球(Double ellipsoid)热源模型(图4)是至今为止被公认最接近的焊接热源模型，且该结构采用CO2气体保护焊的焊接工艺，选用双椭球热源模型可以精确地模拟计算、提高计算效率[9]。

最近，我不愿一直在家闲着，打算开家杂货店自食其力。只是我一人难以打理店面，所以期盼父亲能回来帮我一把。

图4 双椭球热源模型

双椭球热源函数表达式如下：

其中，Qf为前段输入的热流密度，Qr为后段输入的热流密度，其他参数为热源形状参数。

1.3焊接工艺

该端板结构的材料为ZG15Cr1MoA，该材料为铁素体类低合金热强钢，具有良好的铸造工艺性能和焊接性。焊接工艺采用CO2气体保护焊，焊丝采用H08CrMnSiMo，焊接速度5mm/s，电压30V，电流280A，热输入效率70%，焊接前进行预热处理，预热温度为150℃。

端板实际焊接时，先将槽钢点焊在底板上，保证焊接时加强板与底板位置的相对固定。该结构的焊缝数量较多、分布密集，为减小焊接变形，结合焊接经验，端板焊接时采用对称焊接的方法，焊接顺序如图5所示。该结构均采用平面约束的方法模拟实际焊接中放在地面上的焊接边界条件。

图5 焊接顺序

2 热循环曲线与生死单元

2.1热循环曲线

在焊接过程中，焊件上任一点的温度都经历由低到高的升温阶段，达到最大值后，又经历由高到低的降温阶段。焊接热循环曲线包含了焊接接头温度变化及冷却相变等重要信息，这些信息对于了解焊接冷却相变过程、接头组织及应力变形等具有重要意义[10]。为更精确地反映实际焊接时焊缝热量的输入，通过焊接模拟专用有限元软件，模拟汽轮机端板实际焊接过程中焊缝部位的热循环曲线(图6)，在Abaqus计算时采用热循环曲线加载方式进行加载。

图6 端板焊接热循环曲线

2.2生死单元

单元生死技术是指在有限元分析过程中，通过参数控制某些单元在一定时间内的生和死。在单元生时，将该单元刚度矩阵和载荷矩阵计算到总体刚度矩阵和载荷矩阵中；单元死时，该单元的刚度矩阵和载荷矩阵被赋予一个小量，相当于不将刚度矩阵和载荷矩阵计算到总体的刚度和载荷矩阵中[11，12]。

为了模拟实际的焊接过程和结构之间力的传递，在模拟计算汽轮机端板焊接中，采用生死单元技术。在焊接第一条焊缝时，其他几条焊缝单元都被杀死，后面的焊缝焊接时，焊接一条焊缝激活一条焊缝单元。

3 焊接数值计算及结果分析

该端板是对称结构，端板1/2结构上共有16条焊缝，总体上焊缝呈对称分布。运用Abaqus计算时采用间接热力耦合方法，即先计算温度场分布情况，再将计算所得温度场作为荷载加载，计算应力场和变形场分布。温度边界条件为环境温度20℃，对流换热系数取0.02mW/mm2·℃；应力边界条件为约束端板的几何末端，采用平面约束的方法约束低压缸端板。

3.1温度场结果

采用生死单元技术并将热循环曲线作为荷载加载后，计算得到端板焊接温度场分布情况，图7所示为第一道焊缝焊接完成时的温度场分布和最后一道焊缝焊接完成时的温度场分布情况。

a. 第一道焊缝

b. 最后一道焊缝

由温度场分布可以看出，由于焊接部位的不同，在相同的焊接热量输入下得到的焊缝温度场分布也不完全相同。

3.2焊接应力和焊接变形结果

将计算得到的温度场结果作为计算焊接残余应力和焊接变形的热载荷，得到汽轮机低压缸端板焊接残余应力如图8所示，焊接变形如图9所示。

a. 端板Mises应力

b. 最大Mises应力

a. Norm方向

b. x轴方向

c. y轴方向

d. z轴方向

由焊接残余应力云图可以看出，低压缸端板的焊接残余应力基本都小于650MPa，最大的焊接残余应力出现在结构对称面上，主要原因是由于结构划分网格不连续造成的，另外焊接塑性区的选取也有影响，局部几个积分点的应力过大不影响整个结构焊接变形量的计算和计算精度。

由焊接变形云图可以看出，汽轮机低压缸端板的焊接变形主要表现在厚度方向和x轴方向，最大的焊接变形量为13.090 0mm。在长、宽的方向和y、z轴方向变形量较小，y轴方向的最大焊接变形量为1.285 0mm，z轴方向的最大焊接变形量为0.866 8mm。

3.3焊接变形结果对比

在现场焊接完成冷却后，测得端板内外圈共20个测量点的焊接变形，将数值计算值与实际测量值进行对比，结果如图10所示。

图10 端板测量点的焊接变形

总体来看，实际测量的焊接变形量与计算结果吻合良好；在20个测量点中有18个点的数值计算值比实际测量值小，主要原因是没有准确的材料高温热物理参数，其次是由于在计算过程中添加的约束与实际情况有一定的差别。

4 结论

4.1采用焊接热循环曲线加载，可以准确地模拟焊接加热和冷却过程中节点温度的变化情况，使数值计算结果更加精确。

4.2从端板的焊接变形云图可以看出，要减小焊接变形量，可以在端板的外端加强筋焊接处添加约束，可以减小焊接变形。

4.3通过比较焊接变形数值计算值和实际测量值，分析出焊接变形计算值误差在20%以内，验证了数值模拟计算汽轮机侧板焊接变形的准确性和精确性。

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