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方形法兰-板壳结构建立焊接残余变形结果及分析

时间:2019-05-20 14:29 来源:孟村法兰 作者:孟村法兰
       采用MSC.Marc有限元软件模拟方形法兰-板壳结构焊接过程,焊接结束冷却至室温,卸掉卡具后,焊接残余变形情况(变形放大30倍)的结果图,如图2-5所示。
焊接残余变形
       由图2-5b)与图2-5c)可知,焊后各位置法兰盘与立向壁板之间均有程度较大的角变形发生。主要由于单道焊、8mm的大焊脚尺寸下的热输入较大,角焊缝表面和焊根位置的受热尺寸差别导致的焊后横向收缩的差异,成为该角变形发生的直接驱动力。另外,由于刚度的差异,其中相对较薄的壁板(板厚10mm)的倾斜变形程度较厚度更大的法兰盘(板厚40mm)的倾斜变形程度要大。为了更加准确的看出方形法兰角变形的大小,分别提取法兰长度方向、宽度方向立向壁板下方内侧路径节点水平位移,绘制图2-6(结构较大,提取点比较密集,看不清点与点之间的距离,故呈现为线状,后续情况与此类似,不再阐述)。
立向壁板水平位移变化示意图
       从图中可知,在宽度方向上立向壁板最大水平位移值约为2。6mm、长度方向上约为3。5mm,通过“arcsin”反函数的计算得出对应角变形角度在长度方向上为1。32°、在宽度方向上为0。97°(后续角变形角度的计算都是通过“arcsin”公式进行运算的,故不再作公式的阐述)。现场实际测试值,在法兰宽度方向上立向壁板最大水平位移值为2。9mm,对应角变形角度为1。1°、长度方向上立向壁板最大水平位移值为3。7mm,对应角变形角度为1。4°。
       除角变形外,法兰盘表面还发生挠曲变形。由图2-5a)可知,法兰盘发生的挠曲变形呈现为对称变形趋势,即相对两个直角区及附近区域竖直正方向位移变化量较高、另外两个直角区及附近区域竖直负方向位移变化量较大,同时方形法兰盘长度与宽度方向上均是越接近法兰盘内侧竖直方向位移越大,方形法兰盘表面整体呈上凸及轻微的波浪变形趋势。为了更加准确可靠的分析法兰盘表面平面度指标,分别提取法兰盘上表面内侧、外侧路径上节点的竖直方向位移,绘制图2-7。由图可知,在此种焊装情况下法兰盘表面的平面度约为6.1mm。
法兰盘上表面内侧、外侧路径节点位移
       通过角变形与法兰盘表面挠曲变形的模拟结果数据及变形趋势与现场实际测试结果数据及变形趋势对比可知,符合程度较高,故将此视为原始变形量,作为后续优化方案的参照。
       其中,发生挠曲变形的主要原因是焊缝所在位置与整体结构的中性轴位置不重合造成的,借助式(2-1)的计算公式粗略估算该方形法兰-板壳结构的中性轴位置。
       式中,Ai为某一组成部分的面积,yci为其形心坐标,n表示该结构由n个部分组成。通过公式计算获得的中性轴位置为距离立向壁板底部160。399mm处,位于角焊缝之上大约5。4mm,如图2-8所示。
结构的焊缝及中性轴位置示意图
       由于角焊缝位置未处于中性轴位置上,因此,焊缝的纵向收缩关于中性轴不对称,焊接引起的收缩偏心力使整体结构不仅沿焊缝方向长度缩短,还会弯曲并形成挠曲变形,因为中性轴位于角焊缝之上,故焊接结束后整体结构的变形情况,表现为向上凸起的挠曲变形。
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