基于ANSYS的直缝埋弧焊管焊接过程数值模拟.pdfVIP

焊管 ．第31卷第6期 ．2008年11月 ·35· ●试 验 与 研 究 基于ANSYS的 直缝埋弧焊管焊接过程数值模拟 张 涵 ，姚舜鹏 ，刘克永 (1．巨龙钢管有限公司，河北 青县 062658；2．华油油井管公司，河北 青县 062658) 摘 要：直缝埋弧焊管焊后残余应力是导致焊管应力腐蚀裂纹产生的主要原因。以有限元计 算理论为基础，使用ANSYS软件给出了直缝埋弧焊管包括预焊、内外精焊在 内的整个焊接过 程的数值模拟方法，并对典型规格的直缝埋弧焊管焊接过程进行了模拟计算，给出了焊后管体 的残余应力分布及应力峰值。 关键词：ANSYS；直缝埋弧焊管；残余应力；焊接过程 ；数值模拟 中图分类号：TG404 文献标志码 ：B 文章编号：1001—3938(2008)06—0035-04 0 前 言 部分，对其中一部分进行有限元建模。ANSYS模 型如图2所示。 直缝埋弧焊管的残余应力主要包括成型残余 应力和焊接残余应力。在JCOE工艺下，预焊合 缝过程中钢管外层受拉应力，内层受压应力作用， 主要为弹性应力；在焊接过程中，焊接区被急剧加 热膨胀，形成了热塑性压缩变形。焊缝冷却后宽 度相对变窄，因此，焊缝区受拉伸残余应力作用， 邻近区域承受压缩残余应力。 笔者采用ANSYS有限元分析软件对 西1016 mm×21mm直缝埋弧焊管合缝、焊接两个过程进 图1 预焊合缝工艺过程示意 行了顺序模拟，对成型和焊接后焊管的残余应力 分布进行了计算。 1 有限元建模 直缝埋弧焊管预焊时，开 口管坯经过合缝机 成型辊逐渐压成闭合管体，调整开 口两侧使之对 齐，使用气体保护焊定位打底，完成合缝工艺过 程，如图1所示。在此工艺过程中，气体保护焊的 作用是固定管型，对焊接残余应力几乎没有影响， 因此在计算中忽略预焊过程中的焊接应力。 图2 预焊 ANSYS建模 为简化计算，由于管坯形状及压辊分布位置 具有对称性，在有限元计算 中为简化计算 以焊缝 考虑到后面进行的焊接过程模拟，结合实际 】，向垂面为对称面，沿纵 向将管坯分为对称的两 焊接工况，在初始建模过程 中建立上下两个坡 口 · 36· 焊 管 2008年11月 模型，用以描述 内外焊缝的熔合情况。为保证计 算中只考虑周向应力，忽略轴向应力分布。合缝 算精度，将焊缝处网格进行了细致划分。模型及 钢管的周向应力分布如图6所示。 网格划分情况如图3和图4所示 。 图6 管体周向应力分布 图3 预焊焊缝模型 图7为管材合缝后钢管内外表面周向应力曲 线图，从图中看出，在开 口缝两侧管坯被压向合缝 位置时，管坯外表面周向产生拉伸应力，在距离开 口90。和 180。位置应力出现较大值。其中距开 口 90。位置处因合缝后开 口处受中间下压辊垂直向下 挤压，管体弯曲形成应力集中；距开 口处 180。位置