焊接残余应力有限元分析技术研究密封阀
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焊接残余应力有限元分析技术研究
焊接残余应力有限元分析技术研究 2011年12月03日 来源： 1 前言焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。某核电站控制棒驱动机构（CRDM ）耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。因此，进行焊接残余应力有限元分析技术的研究是非常有必要的。2 焊接实例本文以某核电站CRDM 耐压壳Ω焊接为研究对象，分析研究焊接后的残余应力分布。CRDM 耐压壳包括上段是驱动杆行程套管和下段的密封壳。驱动杆行程套管与密封壳采用螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行连接和密封。驱动杆行程套管的上端采用端塞，通过螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行密封。CRDM 耐压壳采用的这种密封结构形式是一种便于拆装的焊接密封结构，由于其内力的整体平衡主要由连接螺纹承担，Ω焊缝功能上主要起密封作用。其结构及尺寸见图1 和图2。
图1 辐照监督管位置图
图2 密封焊缝的结构尺寸图
对CRDM 耐压壳上的Ω密封焊缝的修复采用OVERLAY 修复技术。即在出现泄漏的Ω密封焊缝（CSW ）处，经打磨后用GTAW 方法堆焊INCONEL 52 。从采用OVERLAY 技术修复CRDM Ω密封焊缝的总报告[1]可知：（1）堆焊两层，每层厚度为2.032mm（0.08in ），总厚度为4.064mm（0.16in ）。（2）堆焊共进行12 道，其堆焊次序见图3。（3）应用ANSYS5.3 有限元程序模拟焊接过程，进行了温度场分析和热应力分析，确定残余应力分布。
图3 计算分析的焊道定义图
3 有限元生死单元技术有限元生死单元是指在模型加载过程中的某一指定时间，控制单元的生死选项，以实现在此指定时间内结构的“存在”或“不存在”。单元生死选项并非真正的删除或重新加入单元，死单元在模型中依然存在，但其单元载荷、质量、阻尼、比热等为0。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。若使单元重生，即在前处理器中激活它们，单元特性就建立了，这样就能实现焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部份。在ANSYS 程序中，单元类型PLANE55 （热单元）和PLANE182 （结构单元）都支持单元生死功能，将分别应用于温度场计算和应力计算分析中。单元生死分别用EALIVE 和EKILL 命令执行，并打开分析选项中的完全牛顿-拉佛森（full Newton-Raphson ）方法，将得到较好的非线性计算收敛结果。4 有限元模拟焊接流程计算利用有限元生死单元技术既可模拟焊接过程中的堆焊部分，分别加载能量进行温度场计算达到模拟焊接的整个过程。分析时首先建立有限元模型，见图4，平面单元均为PLANE55 （热单元），接触单元用CONTA171 （接触元）和CARGE169 （目标元），其捏合压力为1.8Pa（2.62E-4ksi），摩擦系数为0.5。
图4 有限元模型图
在温度场计算时，首先将12 条焊道的单元“杀死”，进行初始条件计算，时间历程的影响关闭，然后逐条激活12 条焊道。在激活一条焊道后，首先输入焊接能量，然后能量释放，最后自然冷却。当12 道焊接焊完后，还需进行最终稳态计算，此时，时间历程的影响又关闭，温度场达到平衡。有限元模拟焊接过程的具体流程见表1。
表1 有限元模拟焊接流程
5 残余应力计算结果及对比分析应力场计算时，将模型中的热单元PLANE55 换成结构单元PLANE182 ，加入材料的双线性随动强化特性，定义边界条件，即将上部驱动杆行程壳体截面（模型右端面）固定约束，打开分析选项中的完全牛顿-拉佛森（full Newton-Raphson ）方法，调入温度场进行应力场计算。在调入温度场时，需对应于温度场计算时的时刻进行焊道单元的生或死激活。在9626 秒的温度应力计算完后，还需将结构材料温度升到288℃（500 ℉），以计算得到CRDM 耐压壳Ω密封焊缝在运行工况下的残余应力5.1 计算结果 对残余应力计算结果提取了6 条路径（见图5）上的径向残余应力分布和环向残余应力分析分布，分别列于图6 和图7。
图5 分析路径位置图
图6 径向残余应力沿路径分布图
图7 环向残余应力沿路径分布图
5.2 结果对比分析美国公司计算的径向、环向残余应力沿路径分布图分别见图8 和图9。
图8 美国公司计算的径向残余应力沿路径分布图
图9 美国公司计算的环向残余应力沿路径分布图
美国公司以路径4 的计算结果进行了断裂力学分析，因此，本课题也以路径4 的计算结果与美国公司的计算结果进行对比。从对比结果可见，其极值点的最大偏差为9.7% ，以下几个方面都会引起结果偏差：.结构尺寸有从国际单位到英制单位有误差；.材料特性从英制单位到国际单位有误差；.有限元网格划分不一致；.能量转换有误差，接触单元捏合压力转换有误差。本课题的4 个路径的计算结果与美国公司的应力分布局势一致，偏差许可，计算结果是可以接受的。6 结论根据以上结果分析结果可得：本课题的分析模型建立、边界条件、载荷输入、计算方法等都是有效的，完成本课题具备有限元模拟焊接过程及残余应力计算的能力，为工程焊接分析评定打下坚实基础。(end)