大直径厚壁钢管焊接残余应力与稳定性影响分析

本文首先使用专业的热加工处理仿真软件sysweld进行了大直径厚壁钢管多层多道焊接过程仿真,得到了焊接温度场与应力场。随后在控制钢管外径不变的情况下通过改变壁厚而达到改变钢管径厚比的目的。通过对不同径厚比钢管焊接残余应力的仿真,研究了钢管径厚比对大直径厚壁钢管焊接残余应力的影响。在得到厚壁钢管焊接残余应力分布的情况下,使用大型通用有限元软件ANSYS进行了考虑焊接残余应力情况下钢管构件轴心受压屈曲极限承载力。同时考虑了焊接残余应力对不同长细比轴压钢管极限承载力的影响,以及焊接残余应力对不同径厚比轴压钢管极限承载力的影响。得到以下结论。

1)厚壁钢管焊接残余应力分布特征:von mise等效应力在焊缝区域达到材料名义屈服强度,在远离焊缝的部位应力接近零,在焊缝及边远部分之间von mise等效应力逐渐过渡;环向残余应力在钢管内外壁有明显不同,在钢管外壁呈现压应力,且残余压应力接近材料屈服强度,而在钢管内壁呈现拉应力,残余拉应力接近0.5倍材料屈服强度;轴向残余应力在钢管内外壁的分布也不相同,与环向残余应力类似,在钢管外壁同样是压应力,压应力接近0.5倍材料屈服强度,在钢管内壁呈现拉伸残余应力,数量值接近0.3倍材料屈服强度;而在钢管壁厚方向残余应力是变化的,通过研究发现,焊接残余应力在壁厚方向的变化比较规律,虽然不同径厚比钢管在壁厚方向残余应力变化曲线不一样,但是趋势都比较类似,在进行残余应力分布模型简化的时候,在壁厚方向的残余应力可以简化为在内壁为拉伸残余应力,在外壁为压缩残余应力,且沿壁厚线性变化。

2)钢管对接焊残余应力对构件轴心受压稳定承载能力有影响,会降低钢管构件稳定极限承载力,并且焊接残余应力量值决定了对构件稳定极限承载能力的影响程度。并且在焊接残余应力中只有钢管轴向方向的残余应力对构件稳定承载力有影响,环向残余应力以及壁厚方向的残余应力对稳定承载力的影响都可以忽略不计。

3)焊接残余应力随钢管长细比变化,对构件稳定承载力的影响程度不一样,且呈现出比较明显的规律,随着构件长细比的增加焊接残余应力对构件稳定承载力的影响愈发明显。由修正长细比为30时的3.1%到修正长细比为100时的13%,且在构件修正长细比达到80时焊接残余应力对稳定承载力的降低百分比趋于稳定。

4)随着构件径厚比的增加,焊接残余应力对构件稳定承载力的影响逐渐减小,但是降低的百分比比较稳定,保持在12%左右,说明构件径厚比的变化对焊接残余应力降低构件稳定承载力无明显影响。

本文的主要创新点

目前对于大直径厚壁钢管焊接残余应力的研究比较少,对于厚壁钢管残余应力分布规律没有明显结论,而且焊接残余应力对构件稳定性的影响研究还比较少,到目前为止所做的研究多是沿构件纵向的焊接残余应力对稳定性影响,对于厚壁钢管对接焊残余应力对稳定性的影响还没有看到有相关的研究论文发表。本文的主要的创新点如下。

1)提出了厚壁钢管对接焊残余应力简化模式

使用sysweld软件进行了大直径厚壁钢管多层多道焊接有限元仿真,得到了焊接温度场及焊接残余应力场,并且在控制钢管外壁直径不变的情况下通过改变钢管壁厚来达到改变钢管径厚比的目的,研究了大直径厚壁钢管随径厚比改变焊接残余应力分布的规律。最后提出了实际工程中应用较多径厚比的大直径厚壁钢管焊接残余应力简化分布模式。

2)在梁单元中输入应力值时考虑了沿管壁厚度方向的变化

使用大型通用有限元软件ANSYS对大直径厚壁钢管考虑焊接残余应力与初始屈曲情况下的稳定承载力进行数值分析。使用INISTSTE命令按照残余应力简化模式在单元高斯点上输入初始应力,以达到对焊接残余应力输入的目的。为了考虑到焊接残余应力沿壁厚变化的情况,在对梁截面进行栅格划分的时候沿壁厚方向网格划分为6层,在单元高斯点输入残余应力的过程中根据栅格点的坐标来计算残余应力的数量值。

3)研究了钢管对接焊焊接残余应力对稳定承载力的影响

使用弧长法来计算考虑初始缺陷下构件的极限承载力,通过对比验证了在残余应力中只有钢管轴向残余应力对构件稳定承载力有影响。并研究了在钢管径厚比变化、长细比变化、不同等级焊接残余应力的情况下对构件稳定承载力的影响规律。

有待进一步开展的工作

目前对于各种材料的厚壁钢结构的焊接残余应力研究工作还不足,对于对接焊钢构件的极限承载力还没有相应的计算理论与规范,仍有大量的研究工作需要开展,主要包括以下几个方面:

1)效率更高的焊接残余应力仿真方法

由于焊接残余应力的有限元分析过程包含了材料非线性、几何非线性、材料相变、边界条件非线性等,导致热力耦合迭代过程极其缓慢,而且焊接属于瞬态分析,对于厚壁结构多层多道焊接而言,结构单元数量多,荷载步也多,即使使用高性能工作站来计算需要的时间也很长。因此急需要更加快捷高效的焊接残余应力仿真方法。

2)厚壁钢管焊接残余应力的实验验证

由于条件所限,本次厚壁钢管焊接残余应力的研究仅是数值分析,对于仿真结果并未进行相应的实验验证,对于实验验证,是下一步研究需要的。

3)焊接残余应力对于构件弯扭能力、开裂、疲劳性能的影响

结构受压的稳定承载能力只是构件受力性能的一个方面,而焊接构件在结构中无处不在,有的受弯,有的受扭,还有的受拉,在承受周期动载的结构中,疲劳是结构服役过程中最严重的问题,研究焊接残余应力对于这些受力性能的影响具有非常重要的现实意义。

4)螺旋焊接钢管焊接残余应力与稳定性影响

对于很多大直径钢管采用螺旋焊接焊缝进行焊接,对于此过程焊接残余应力分布的研究还有待进一步开展,以及此种构件焊接残余应力对于构件受力性能的影响。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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