專利名稱：一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃?xì)夤艿拦こ讨泄艿涝谝酆附有袨榈挠?jì)算技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用有限元計(jì)算軟件ANSYS評(píng)定在役管道焊接行為的工藝分析方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)夤艿涝陂L(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于管材原因或外界因素的影響，會(huì)出現(xiàn)管壁減薄或腐蝕穿孔等問(wèn)題，從而引起燃?xì)庑孤都肮艿榔茐?，為此必須?duì)管道減薄或損壞部位進(jìn)行加固和修復(fù)。運(yùn)行管線的在役焊接修復(fù)技術(shù)以其方便快捷、環(huán)保經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前在役管道修復(fù)的主要方式。焊接是一個(gè)局部快速加熱、冷卻和凝固的過(guò)程，是涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、冶金和力學(xué)機(jī)制的復(fù)雜過(guò)程。在役焊接過(guò)程中，由于管道內(nèi)燃?xì)饨橘|(zhì)的高壓，同時(shí)介質(zhì)流動(dòng)會(huì)帶走焊縫區(qū)大量熱量，使得焊接區(qū)域容易發(fā)生燒穿或氫致開裂，因此合理制定在役焊接的工藝參數(shù)至關(guān)重要。采用數(shù)值技術(shù)對(duì)在役焊接的結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行分析，研究各個(gè)工藝因素的影響趨勢(shì)，正成為一種合理設(shè)計(jì)在役焊接工藝的有效手段。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法。其目的在于建立一種針對(duì)管道在役焊接實(shí)際工況的分析效率高、計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確客觀的評(píng)定在役焊接行為的結(jié)構(gòu)分析方法為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是利用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的有限元計(jì)算軟件ANSYS，按照下述步驟進(jìn)行步驟一確定管道在役焊接的焊接條件，至少包括焊接工藝、管道及套管的尺寸、管道及套管的材質(zhì)，環(huán)境溫度和散熱條件；其中在確定焊接工藝中，根據(jù)英國(guó)管道公司制定的關(guān)于焊接接頭焊道的布置要求進(jìn)行焊道布置；步驟二 創(chuàng)建管道及套管的實(shí)體模型，定義S0LID70單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際工況施加在役焊接溫度場(chǎng)的求解約束及載荷，其中至少包括環(huán)境溫度、移動(dòng)焊接熱源的熱生成率、管道內(nèi)部燃?xì)饨橘|(zhì)的強(qiáng)制換熱系數(shù)；然后求解，得出管道在役焊接的溫度場(chǎng)；步驟三讀取在役焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果文件，并根據(jù)管道內(nèi)壁最高溫度的具體數(shù)值初步判斷管道是否有被燒穿的可能；步驟四創(chuàng)建管道及套管實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，定義MESH 200單元和SOLID 45單元，將上述溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型上，定義邊界約束條件，管道內(nèi)部施加壓強(qiáng)載荷，對(duì)管道和套管的端部施加軸向位移約束，然后求解；步驟五從而得到管道在役焊接的全部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，繼而根據(jù)管道材料的性能和管道內(nèi)壁的最高溫度及應(yīng)力分布評(píng)估在役焊接行為的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用有限元軟件建模評(píng)定管道在役焊接行為的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，用參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL編寫命令程序，可以根據(jù)實(shí)際工況的變化修改模型、載荷和求解參數(shù)，可大大減少焊接工藝試驗(yàn)工作量，提高分析效率，降低生產(chǎn)測(cè)試成本。


圖I是本發(fā)明燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法流程圖；圖2是套管在役焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是套管焊接的焊道示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中第一道焊接時(shí)的溫度場(chǎng)等值圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中第一道焊接的焊縫剖面的溫度場(chǎng)等值圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例焊后冷卻到室溫的位移等值圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例焊接穩(wěn)定時(shí)的環(huán)向應(yīng)力場(chǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所示，本發(fā)明一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法，利用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的有限元計(jì)算軟件ANSYS，按照下述步驟進(jìn)行步驟一確定管道在役焊接的焊接條件，至少包括焊接工藝、管道及套管的尺寸、管道及套管的材質(zhì)，環(huán)境溫度和散熱條件；其中在確定焊接工藝中，根據(jù)英國(guó)管道公司制定的關(guān)于焊接接頭焊道的布置要求進(jìn)行焊道布置；步驟二 創(chuàng)建管道及套管的實(shí)體模型，定義S0LID70單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際工況施加在役焊接溫度場(chǎng)的求解約束及載荷，其中至少包括環(huán)境溫度、移動(dòng)焊接熱源的熱生成率、管道內(nèi)部燃?xì)饨橘|(zhì)的強(qiáng)制換熱系數(shù)；然后求解，得出管道在役焊接的溫度場(chǎng)；步驟三讀取在役焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果文件，并根據(jù)管道內(nèi)壁最高溫度的具體數(shù)值初步判斷管道是否有被燒穿的可能；步驟四創(chuàng)建管道及套管實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，定義MESH 200單元和SOLID 45單元，將上述溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型上，定義邊界約束條件，管道內(nèi)部施加壓強(qiáng)載荷，對(duì)管道和套管的端部施加軸向位移約束，然后求解；步驟五從而得到管道在役焊接的全部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，繼而評(píng)估在役焊接行為的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。實(shí)施例利用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的有限元計(jì)算軟件ANSYS進(jìn)行燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析包括以下步驟步驟一確定在役焊接條件焊接工藝參數(shù)第一、二道焊I=90A，U=20V，焊接速度V=3mm/s ;第三、四道焊I=IlOA, U=25V，焊接速度V=5mm/s ;管道內(nèi)壓P=4MPa，管內(nèi)燃?xì)饬魉?，v=20m/s ;管線外徑為609mm,壁厚為7. Imm,套管的壁厚為19mm,管線和套管之間的間隙為2mm,示意圖如圖2。步驟二 創(chuàng)建套管修復(fù)的在役焊接實(shí)體模型，定義S0LID70單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格，套管環(huán)焊縫的焊接設(shè)計(jì)為4道焊，接頭示意圖如圖2所示。進(jìn)行有限元分析時(shí)，為減少計(jì)算的時(shí)間，取整體結(jié)構(gòu)的八分之一進(jìn)行分析，如焊縫剖面示意如圖3所示。
在溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，定義MESH200單元和熱分析單元為SOLID 70。焊縫區(qū)域及管道內(nèi)壁的溫度為本發(fā)明的目標(biāo)分析區(qū)域，焊縫區(qū)溫度較高且變化梯度大，網(wǎng)格比較密集，單元長(zhǎng)度為2mm ;遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度較低且變化梯度較小，則網(wǎng)格比較稀疏。定義換熱邊界條件，確定管道內(nèi)不同壓強(qiáng)下的燃?xì)鈸Q熱系數(shù)，不同焊接工藝下熱源的熱生成率。本實(shí)例中，管道外壁與空氣的換熱系數(shù)取為為25W/m2。C，管道內(nèi)部燃?xì)獾膹?qiáng)制換熱系數(shù)為1101W/m2° C，求解，得出管道在役焊接的溫度場(chǎng)。圖4示出了第一道焊接時(shí)的溫度場(chǎng)等值圖；圖5示出了第一道焊接的焊縫剖面的溫度場(chǎng)等值圖。步驟三讀取在役焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果文件，查看溫度場(chǎng)云圖，并根據(jù)管道內(nèi)壁最高溫度的具體數(shù)值初步判斷管道是否有被燒穿的可能。步驟四創(chuàng)建管道及套管實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，定義MESH 200單元和應(yīng)力單元SOLID 45 (與SOLID 70對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元)。將上述溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型上，定義邊界約束條件，管道內(nèi)部施加壓強(qiáng)載荷，對(duì)管道和套管的端部施加軸向位移約束，然后求解。步驟五得到管道在役焊接的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，包括位移、應(yīng)力、主應(yīng)力、等效應(yīng)力等，可以顯示焊接過(guò)程中某瞬時(shí)的應(yīng)力響應(yīng)云圖，圖6示出了焊后冷卻到室溫的位移等值圖，圖7示出了焊接穩(wěn)定時(shí)的環(huán)向應(yīng)力場(chǎng)；根據(jù)ANSYS計(jì)算分析的結(jié)果，分析在役焊接管道內(nèi)壁的軸向、環(huán)向、等效應(yīng)力和位移等結(jié)構(gòu)特征參量，從而提出評(píng)估報(bào)告；或更改焊接工藝參數(shù)，重新進(jìn)行計(jì)算和分析。盡管上面結(jié)合圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法，其特征在于，利用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的有限元計(jì)算軟件ANSYS，按照下述步驟進(jìn)行 步驟一確定管道在役焊接的焊接條件，至少包括焊接工藝、管道及套管的尺寸、管道及套管的材質(zhì)，環(huán)境溫度和散熱條件；其中在確定焊接工藝中，根據(jù)英國(guó)管道公司制定的關(guān)于焊接接頭焊道的布置要求進(jìn)行焊道布置； 步驟二 創(chuàng)建管道及套管的實(shí)體模型，定義S0LID70單元?jiǎng)澐钟成渚W(wǎng)格，并根據(jù)實(shí)際工況施加在役焊接溫度場(chǎng)的求解約束及載荷，其中至少包括環(huán)境溫度、移動(dòng)焊接熱源的熱生成率、管道內(nèi)部燃?xì)饨橘|(zhì)的強(qiáng)制換熱系數(shù)；然后求解，得出管道在役焊接的溫度場(chǎng)； 步驟三讀取在役焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果文件，并根據(jù)管道內(nèi)壁最高溫度的具體數(shù)值初步判斷管道是否有被燒穿的可能； 步驟四創(chuàng)建管道及套管實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，定義MESH 200單元和SOLID 45單元，將上述溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型上，定義邊界約束條件，管道內(nèi)部施加壓強(qiáng)載荷，對(duì)管道和套管的端部施加軸向位移約束，然后求解； 步驟五從而得到管道在役焊接的全部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，繼而根據(jù)管道材料的性能和管道內(nèi)壁的最高溫度及應(yīng)力分布評(píng)估在役焊接行為的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃?xì)夤艿涝谝酆附有袨榈慕Y(jié)構(gòu)分析方法，利用有限元計(jì)算軟件ANSYS，按照下述步驟進(jìn)行確定管道在役焊接的焊接條件；創(chuàng)建管道及套管的實(shí)體模型，根據(jù)實(shí)際工況施加在役焊接溫度場(chǎng)的求解約束及載荷，求解得出管道在役焊接的溫度場(chǎng)；讀取在役焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果文件，并根據(jù)管道內(nèi)壁最高溫度的具體數(shù)值初步判斷管道是否有被燒穿的可能；創(chuàng)建管道及套管實(shí)體結(jié)構(gòu)分析模型，求解后得到管道在役焊接的全部結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，繼而根據(jù)管道材料的性能和管道內(nèi)壁的最高溫度及應(yīng)力分布評(píng)估在役焊接行為的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。本發(fā)明可以根據(jù)實(shí)際工況的變化修改模型、載荷和求解參數(shù)，可大大減少焊接工藝試驗(yàn)工作量，提高分析效率，降低生產(chǎn)測(cè)試成本。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102982212SQ20121051330
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者楊康, 王立君, 邸新杰, 鮑秀偉, 史業(yè)騰, 高秀民 申請(qǐng)人:天津大學(xué)