基于HyperMesh的球阀袖管焊接温度场分析

2020/4/20 15:54:31 人评论 次浏览 分类:散热分析

抗硫球阀为对焊端结构,需要焊接袖管。焊接过程产生的高温会造成热影响区域,尤其接头区域产生变形及残余应力,同时O型密封圈处的温度也是焊接生产比较关心的问题。该抗硫球阀在设计过程中,考虑到焊接过程中复杂热传导对结构的影响,适当增加了袖管长度,降低焊接袖管时对阀门本体材料及阀门内件产生的影响。为了科学验证焊缝I和焊缝Ⅱ的热影响区域及袖管设计长度的合理性,根据焊接试验数据,通过有限元前处理软件HyperMesh建立有限元模型,利用某求解器计算抗硫球阀袖管的焊接温度场。

如图1为抗硫球阀阀盖和袖管焊接示意图,阀盖与袖管、袖管与袖管通过焊接方式连接起来,如图中焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ,当设计的阀盖进出口段与袖管过短,完全在焊接热影响区域时,会影响阀门密封性能以及力学性能。因此,需要解决以下问题:

1、当焊接焊缝Ⅰ时:

A、阀盖和袖管焊接时,计算O型圈密封面处的温度?控制目标:≤200

B、焊接热影响区(温度≥200的区域),当温度降到200时,此位置距离焊缝中心的距离是多少?目标:计算焊接热影响区域范围。

2、当焊接焊缝Ⅱ时:

焊接热影响区(温度≥200℃的区域),当温度降到200℃时,此位置距离焊缝中心的距离是多少?目标:计算焊接热影响区域范围。

由于实际焊接热过程异常复杂,其模拟计算不可能考虑到所有的实际焊接条件。由于本计算旨在考察焊接时热传导对阀盖及袖管的影响,因此为了计算保守,同时控制计算成本,提高效率,在建模计算时做适当的简化假设。

● 不考虑焊缝内部的变化,即对温度在熔化温度以上的熔化金属部分仍然看作固态,所以其热控制方程采用热传导微分方程。

● 假定材料是各向同性,导热系数不随温度变化,不考虑材料的热物理性能对温度的依赖性。

● 根据实际焊接工艺以及考虑结果保守性,使用高斯面热源模型模拟对工件的加热作用。

● 根据学者研究结论和工程经验,由于在焊接热源移动过程中,热源位置的温度场分布形状基本保持不变,具有一定的准稳态分分析的特征。因此,本计     算采用稳态热分析方法。

3计算结果

计算模型采用单点高斯热源模型进行稳态热分析,图3为点焊焊缝Ⅰ时整体的温度场计算结果分布云图,最高温度区域均位于焊缝生热单元处,且温度随离焊缝中心距离的增加而逐渐降低,温度最高达1190。图4为阀盖的温度场分布云图,阀盖最高温度为630,最低温度为110,热源以圆周方式向周围扩散,图中灰色区域为热影响区域(超出200范围),O型圈密封面的温度为144,在控制目标范围内。

点焊焊缝Ⅰ时热影响区距离示意图。点焊焊缝Ⅰ时,热源以圆周方式向周围扩散,温度逐渐降低,当温度降到200时,阀盖端距离焊缝的距离为60mm,袖管端距离焊缝的距离为83mm

6为点焊焊缝Ⅱ时的温度场计算结果分布云图,最高温度区域均位于焊缝生热单元处,温度最高达1400,且温度随离焊缝中心距离的增加而逐渐降低,图中灰色区域为热影响区域(超出200范围),袖管两端距离焊缝的距离为144mm(对称)


4结果分析

本计算采用单点高斯热源模型进行稳态热模拟,可以较好地模拟出热源在不同位置处的温度场分布,并得出距焊缝不同位置的温度值。比较实际焊接和热处理过程,数值模拟忽略了部分影响因素,因此模拟结果与真实结果会存在一定的差异,但与实际焊接温度场的分布基本一致。

与采用移动高斯面体混合热源模型的非线性瞬态模拟相比较,在温度场分布趋势上是一致的。由于稳态热模拟,不考虑金属相变的冷却过程,因此在焊缝和热影响区的轴向温度值会更大一些,结果更保守,这样对于仅判断热影响区域是合理的。

 





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