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            大直徑厚壁鋼管焊接殘余應力與穩定性影響分析

            本文首先使用專業的熱加工處理仿真軟件sysweld進行了大直徑厚壁鋼管多層多道焊接過程仿真,得到了焊接溫度場與應力場。隨后在控制鋼管外徑不變的情況下通過改變壁厚而達到改變鋼管徑厚比的目的。通過對不同徑厚比鋼管焊接殘余應力的仿真,研究了鋼管徑厚比對大直徑厚壁鋼管焊接殘余應力的影響。在得到厚壁鋼管焊接殘余應力分布的情況下,使用大型通用有限元軟件ANSYS進行了考慮焊接殘余應力情況下鋼管構件軸心受壓屈曲極限承載力。同時考慮了焊接殘余應力對不同長細比軸壓鋼管極限承載力的影響,以及焊接殘余應力對不同徑厚比軸壓鋼管極限承載力的影響。得到以下結論。

            1)厚壁鋼管焊接殘余應力分布特征:von mise等效應力在焊縫區域達到材料名義屈服強度,在遠離焊縫的部位應力接近零,在焊縫及邊遠部分之間von mise等效應力逐漸過渡;環向殘余應力在鋼管內外壁有明顯不同,在鋼管外壁呈現壓應力,且殘余壓應力接近材料屈服強度,而在鋼管內壁呈現拉應力,殘余拉應力接近0.5倍材料屈服強度;軸向殘余應力在鋼管內外壁的分布也不相同,與環向殘余應力類似,在鋼管外壁同樣是壓應力,壓應力接近0.5倍材料屈服強度,在鋼管內壁呈現拉伸殘余應力,數量值接近0.3倍材料屈服強度;而在鋼管壁厚方向殘余應力是變化的,通過研究發現,焊接殘余應力在壁厚方向的變化比較規律,雖然不同徑厚比鋼管在壁厚方向殘余應力變化曲線不一樣,但是趨勢都比較類似,在進行殘余應力分布模型簡化的時候,在壁厚方向的殘余應力可以簡化為在內壁為拉伸殘余應力,在外壁為壓縮殘余應力,且沿壁厚線性變化。

            2)鋼管對接焊殘余應力對構件軸心受壓穩定承載能力有影響,會降低鋼管構件穩定極限承載力,并且焊接殘余應力量值決定了對構件穩定極限承載能力的影響程度。并且在焊接殘余應力中只有鋼管軸向方向的殘余應力對構件穩定承載力有影響,環向殘余應力以及壁厚方向的殘余應力對穩定承載力的影響都可以忽略不計。

            3)焊接殘余應力隨鋼管長細比變化,對構件穩定承載力的影響程度不一樣,且呈現出比較明顯的規律,隨著構件長細比的增加焊接殘余應力對構件穩定承載力的影響愈發明顯。由修正長細比為30時的3.1%到修正長細比為100時的13%,且在構件修正長細比達到80時焊接殘余應力對穩定承載力的降低百分比趨于穩定。

            4)隨著構件徑厚比的增加,焊接殘余應力對構件穩定承載力的影響逐漸減小,但是降低的百分比比較穩定,保持在12%左右,說明構件徑厚比的變化對焊接殘余應力降低構件穩定承載力無明顯影響。

            本文的主要創新點

            目前對于大直徑厚壁鋼管焊接殘余應力的研究比較少,對于厚壁鋼管殘余應力分布規律沒有明顯結論,而且焊接殘余應力對構件穩定性的影響研究還比較少,到目前為止所做的研究多是沿構件縱向的焊接殘余應力對穩定性影響,對于厚壁鋼管對接焊殘余應力對穩定性的影響還沒有看到有相關的研究論文發表。本文的主要的創新點如下。

            1)提出了厚壁鋼管對接焊殘余應力簡化模式

            使用sysweld軟件進行了大直徑厚壁鋼管多層多道焊接有限元仿真,得到了焊接溫度場及焊接殘余應力場,并且在控制鋼管外壁直徑不變的情況下通過改變鋼管壁厚來達到改變鋼管徑厚比的目的,研究了大直徑厚壁鋼管隨徑厚比改變焊接殘余應力分布的規律。最后提出了實際工程中應用較多徑厚比的大直徑厚壁鋼管焊接殘余應力簡化分布模式。

            2)在梁單元中輸入應力值時考慮了沿管壁厚度方向的變化

            使用大型通用有限元軟件ANSYS對大直徑厚壁鋼管考慮焊接殘余應力與初始屈曲情況下的穩定承載力進行數值分析。使用INISTSTE命令按照殘余應力簡化模式在單元高斯點上輸入初始應力,以達到對焊接殘余應力輸入的目的。為了考慮到焊接殘余應力沿壁厚變化的情況,在對梁截面進行柵格劃分的時候沿壁厚方向網格劃分為6層,在單元高斯點輸入殘余應力的過程中根據柵格點的坐標來計算殘余應力的數量值。

            3)研究了鋼管對接焊焊接殘余應力對穩定承載力的影響

            使用弧長法來計算考慮初始缺陷下構件的極限承載力,通過對比驗證了在殘余應力中只有鋼管軸向殘余應力對構件穩定承載力有影響。并研究了在鋼管徑厚比變化、長細比變化、不同等級焊接殘余應力的情況下對構件穩定承載力的影響規律。

            有待進一步開展的工作

            目前對于各種材料的厚壁鋼結構的焊接殘余應力研究工作還不足,對于對接焊鋼構件的極限承載力還沒有相應的計算理論與規范,仍有大量的研究工作需要開展,主要包括以下幾個方面:

            1)效率更高的焊接殘余應力仿真方法

            由于焊接殘余應力的有限元分析過程包含了材料非線性、幾何非線性、材料相變、邊界條件非線性等,導致熱力耦合迭代過程極其緩慢,而且焊接屬于瞬態分析,對于厚壁結構多層多道焊接而言,結構單元數量多,荷載步也多,即使使用高性能工作站來計算需要的時間也很長。因此急需要更加快捷高效的焊接殘余應力仿真方法。

            2)厚壁鋼管焊接殘余應力的實驗驗證

            由于條件所限,本次厚壁鋼管焊接殘余應力的研究僅是數值分析,對于仿真結果并未進行相應的實驗驗證,對于實驗驗證,是下一步研究需要的。

            3)焊接殘余應力對于構件彎扭能力、開裂、疲勞性能的影響

            結構受壓的穩定承載能力只是構件受力性能的一個方面,而焊接構件在結構中無處不在,有的受彎,有的受扭,還有的受拉,在承受周期動載的結構中,疲勞是結構服役過程中最嚴重的問題,研究焊接殘余應力對于這些受力性能的影響具有非常重要的現實意義。

            4)螺旋焊接鋼管焊接殘余應力與穩定性影響

            對于很多大直徑鋼管采用螺旋焊接焊縫進行焊接,對于此過程焊接殘余應力分布的研究還有待進一步開展,以及此種構件焊接殘余應力對于構件受力性能的影響。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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