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方形法兰-板壳结构建立焊接过程模型

时间:2019-05-17 11:48 来源:孟村法兰 作者:孟村法兰
1、网格划分
      考虑到结构的焊接组装顺序是:先焊接法兰盘和升高座立向壁板之间的外侧角焊缝、且该焊缝焊后变形立即出现,后续立向壁板焊到下方容器上的角焊缝以及其他辅助焊缝焊后上述变形并未得到矫正和减小。鉴于上述实际生产状况,为了有效简化结构、减小计算量,在建模时处理为只考察第一道焊接工序、即方形法兰盘和升高座立向壁板之间的焊接即可。其中,方形法兰盘尺寸为:5360 mm×1360 mm×40 mm,立向壁板长度方向尺寸4920 mm×185 mm×10 mm、宽度方向尺寸920 mm×185 mm×10 mm。建立有限元模型是进行有限元模拟分析过程中最重要的一步,如果建立不恰当或与实际生产情况不符的有限元模型,则会影响到后续过程无法进行或者会影响到模拟的精度,使得整个模拟结果的可靠性降低。同时建立有限元模型需要考虑的因素也有很多,如模型的简化、单元类型的选取。因此,建立一个合理的有限元模型是整个有限元分析过程的重中之重。方形法兰-板壳结构的几何模型如图2-1a)所示,图2-1b)则为其局部放大的有限元模型。此有限元模型的网格划分方法是:在焊缝及近焊缝区域的网格划分较为细小密集,远离焊缝区域的网格划分较为粗大稀疏,这样的网格划分既保证仿真结果的可靠性,又减小了仿真计算时间。其中,单元类型采用的是八节点六面体单元,网格数量为164088,节点总数为217972 个,最小单元尺寸为2.0 mm。按照实际情况,角焊缝尺寸处理为8.0 mm。
方形法兰-板壳结构的几何模型和网格划分
2、材料特性
      方形法兰-板壳结构采用的材料为Q235A 钢板,其焊接热过程仿真采用的材料热物理性能和力学性能参数见表2-1 所示。
Q235A 的热物理性能和力学性能参数
3、焊接参数
       Goldark 提出的双椭球热源模型,考虑到热源移动对热流分布的影响,能提高模拟结果的准确性,是目前电弧焊最常用的热源模型,同时实际生产加工过程中使用的是MIG 焊,即双椭球热源模型即可满足需求。双椭球热源基本模型如图2-2 所示。
 双椭球热源模型
       图中a1、a2、b、c 为椭球形状参数,x 为焊接方向,y 为焊缝熔宽方向,z为熔深方向,正常焊接时电弧轴线与z 轴重合。 
       本文采用双椭球热源作为焊接热源模型,采用单元死活方法处理填充,焊道一次成形。焊道的焊接具体参数设置如表2-2 所示。
焊接参数
4、边界条件
      焊接过程开始前,在方形法兰盘长度方向,上下水平面每间隔500 mm 设置一个装卡固定点,以便控制在焊接过程中方形法兰整体结构的移动及方形法兰盘表面的竖直方向位移变化量,同时在方形法兰长度方向立向壁板处设置壁板撑杆以控制角变形量,这些装夹条件在仿真计算中借助边界条件予以施加。在仿真计算中边界条件施加的位置,如图2-3 所示。以上边界条件,待焊缝冷却至室温后全部卸掉,冷却方式采空冷方式,对流换热系数设置为40。(后续的冷却方式与对流系数与此相同,故不再做详细阐述)。在方形法兰-板壳结构的焊接过程中焊接顺序为,由法兰宽度方向中点位置开始逆时针焊接一周再次焊
至此位置时焊接结束。
 方形法兰整体结构焊接过程中边界条件施加位置示意图
      在图2-3a)中边界条件的施加是定义X=0、Y=0、Z=0。在图2-3b)中边界条件的施加是定义X=0,即撑杆只限定立向壁板X 方向位移。

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