風(fēng)電安裝船圓柱形樁腿打底焊接過(guò)程的數(shù)值模擬

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( 1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 2111892; 2.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司， 江蘇 南通 226005)

風(fēng)電安裝船圓柱形樁腿打底焊接過(guò)程的數(shù)值模擬

郇學(xué)東1，孫桂芳1，盧軼1，張永康1，顧翔2，王振剛2

( 1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京2111892; 2.南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，江蘇南通226005)

為了改進(jìn)超大型樁腿的焊接工藝，采用ANSYS的生死單元與移動(dòng)高斯熱源對(duì)超大型圓柱形樁腿的打底焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，得到圓柱形樁腿打底焊接的殘余應(yīng)力分布與焊接變形。研究發(fā)現(xiàn)：在樁腿焊接預(yù)熱及保溫溫度為150 ℃的條件下，焊接殘余應(yīng)力最大值為692 MPa，第2道焊縫的殘余應(yīng)力小于第1道焊縫；圓柱形樁腿主要變形為角變形，最大變形量為0.544 mm。將樁腿焊接的預(yù)熱及保溫溫度分別為100 ℃和200 ℃的結(jié)果與150 ℃的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)選取150 ℃作為焊接預(yù)熱及保溫溫度時(shí)，焊接殘余應(yīng)力及焊接徑向變形均最小。

風(fēng)電安裝船；樁腿；數(shù)值模擬；焊接變形；殘余應(yīng)力

0 引 言

圖1 進(jìn)行保溫處理的圓柱形樁腿

海上風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的能源利用方式，而且是風(fēng)電發(fā)展的新領(lǐng)域。近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展迅猛，極大推動(dòng)了風(fēng)能制造業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，其中風(fēng)電機(jī)組安裝裝備和技術(shù)是占領(lǐng)海上風(fēng)電領(lǐng)域的核心技術(shù)。風(fēng)電設(shè)備安裝船是集運(yùn)輸、起重、打樁、升降和航行功能于一身的工程船，其樁腿一般采用高強(qiáng)度鋼分組焊接而成。由于樁腿在實(shí)際插樁與拔樁過(guò)程中皆會(huì)受到應(yīng)力沖擊，因而控制樁腿的焊接變形與焊接殘余應(yīng)力至關(guān)重要[1]?，F(xiàn)階段樁腿的焊接工藝一般參照傳統(tǒng)焊接工藝[2]通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究樁腿焊接過(guò)程以確定和改進(jìn)焊接工藝的研究案例較少。

本文以由南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司設(shè)計(jì)建造的風(fēng)電安裝船SEA INSTALLER[3]的提升樁腿為原型進(jìn)行焊接模擬,研究采用數(shù)值模擬改進(jìn)超大型樁腿焊接工藝的方法。該樁腿為圓柱形，整體高度82.5 m，材料為超高強(qiáng)度鋼NVE 690[4]，板厚83 mm，卷制直徑為4 500 mm，采用分段建造方式進(jìn)行焊接組建。焊接前、焊接過(guò)程、焊接后皆對(duì)焊件(焊縫附近約500 mm范圍)進(jìn)行保溫處理。圖1為焊接結(jié)束后進(jìn)行保溫處理的圓柱形樁腿。

本文采用大型通用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS模擬樁腿的焊接過(guò)程[5-6]。由實(shí)際焊接工藝特點(diǎn)(4位焊工在4個(gè)位置同時(shí)分別進(jìn)行平、橫、仰、立式焊接)，將有限元模型近似簡(jiǎn)化為1/4圓柱樁腿模型。但由于整個(gè)結(jié)構(gòu)共有300多道焊縫，每道焊縫焊接用時(shí)近1 h，計(jì)算量較大。本文在模擬圓柱形樁腿的打底焊接過(guò)程時(shí)，將每道焊縫分為180小段，采用生死單元技術(shù)模擬焊材的填充過(guò)程，在焊材出生時(shí)添加高斯熱源模擬電弧焊熱量的輸入，并通過(guò)改變焊材預(yù)熱及保溫溫度，對(duì)不同工藝下的焊接結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 有限元模型的建立

1.1有限元模型

圖2 圓柱形樁腿有限元模型

將焊接過(guò)程中預(yù)熱、保溫的區(qū)域(距焊縫0.5 m范圍內(nèi))為分析區(qū)域， 并按照樁腿的實(shí)際尺寸建立1/4圓柱樁腿模型：圓柱內(nèi)徑4 334 mm，外徑4 500 mm，V型焊縫角度為50°。取前2層焊縫為打底焊接焊縫，每層焊縫厚度為3 mm，其中第1道焊縫截面為矩形。焊縫區(qū)及其周?chē)木W(wǎng)格劃分較密，距離較遠(yuǎn)的地方網(wǎng)格劃分較稀疏，整個(gè)模型共有158 372個(gè)單元、40 722個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2為劃分完網(wǎng)格的圓柱形樁腿有限元模型。對(duì)于模型的物理參數(shù)設(shè)定，參照文獻(xiàn)[7]進(jìn)行設(shè)置。

考慮材料的高溫物理性能參數(shù)(見(jiàn)表1)隨溫度變化，采用金相計(jì)算軟件JMatPro進(jìn)行計(jì)算[7]。

表1 NVE 690的熱物理性能參數(shù)

續(xù)表1 NVE 690的熱物理性能參數(shù)

1.2焊接數(shù)值模擬方案

選用ANSYS軟件中的SOLID 70和SOLID 185單元分別進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，用間接耦合方法進(jìn)行熱應(yīng)力分析[8]。根據(jù)實(shí)際焊接工藝取前2層共2道焊縫作為打底焊接的焊縫進(jìn)行數(shù)值模擬，每道焊縫分為180小段，采用生死單元技術(shù)模擬焊材的生成。在焊材出生時(shí)添加高斯熱源模擬熱量的輸入，移動(dòng)高斯熱源的中心為依次激活小段的型心。為實(shí)現(xiàn)焊縫每一小分段的依次激活，將2道焊縫的所有分段依次按照其型心的徑向、周向和軸向位置進(jìn)行排序，最終采用ANSYS自帶的APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)打底焊接過(guò)程的模擬。

在實(shí)際焊接過(guò)程中，樁腿的預(yù)熱及保溫溫度為150 ℃，因此設(shè)定環(huán)境溫度與樁腿初始溫度為150 ℃，并為樁腿模型表面施加60 W/( m2·℃)的對(duì)流載荷。熱源移動(dòng)速度參考實(shí)際焊接工藝取60 mm/min。2道焊縫焊接完成后，進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)10 000 s的保溫處理，冷卻焊縫。

更改樁腿焊接過(guò)程的預(yù)熱及保溫溫度為100 ℃和200 ℃，分別進(jìn)行熱應(yīng)力分析，得到不同工藝下的焊接殘余應(yīng)力與變形。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1溫度場(chǎng)結(jié)果與分析

圖3為不同時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)分布，圖3a)為焊接初始時(shí)的溫度場(chǎng)分布，圖3b)為焊接過(guò)程中熱源附近區(qū)域的溫度場(chǎng)分布，圖3c)為冷卻結(jié)束后的溫度場(chǎng)分布。

圖3 焊接不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布

由圖3a)可以看出高斯熱源在移動(dòng)時(shí)的溫度場(chǎng)分布。由圖3b)可知：焊縫處的溫度最高，約為1 700 ℃，且靠近熱源區(qū)域的等溫線較為密集，說(shuō)明熱源區(qū)域的溫度梯度較大，遠(yuǎn)離熱源區(qū)域的等溫線較為稀疏，此處的溫度梯度較小，符合焊接溫度場(chǎng)的一般理論。由圖3c)可知：冷卻之后的溫度場(chǎng)最大溫度差小于7 ℃。

圖4 節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖4為圓柱形樁腿有限元模型上3個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線。節(jié)點(diǎn)1位于起始焊縫的中心位置，經(jīng)歷了2次加熱后快速冷卻，峰值溫度為1 500 ℃左右；節(jié)點(diǎn)2位于焊縫邊上60 mm處，最高溫度約200 ℃；節(jié)點(diǎn)3位于熱影響區(qū)邊緣，溫度恒定為初始溫度150℃，焊縫處的瞬時(shí)高溫對(duì)其并無(wú)影響。

2.2應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果與分析

圖5為焊接結(jié)束并冷卻至保溫溫度(150 ℃)后的殘余應(yīng)力分布圖，其中：圖5a)為打底焊接第1道焊縫的殘余應(yīng)力分布圖，圖5b)為第2道焊縫殘余應(yīng)力分布圖。由圖5可知：打底焊縫結(jié)束并冷卻到保溫溫度時(shí)焊接殘余應(yīng)力最大值為679 MPa，接近NVE 690鋼的屈服應(yīng)力，故焊接結(jié)束后應(yīng)采取措施消除殘余應(yīng)力。對(duì)比圖5a)和圖5b)可知：第1道焊縫殘余應(yīng)力較大區(qū)域?yàn)楹缚p中心，而第2道焊縫殘余應(yīng)力較大區(qū)域則分布在焊縫周邊；第1道焊縫的高殘余應(yīng)力區(qū)域明顯較第2道焊縫大。這是因?yàn)榈?道焊縫呈矩形，第2道焊縫是平滑的V型坡口，在焊接過(guò)程中有更好的應(yīng)力釋放空間，因而焊縫質(zhì)量較第1道焊縫更好。

圖5 焊接殘余應(yīng)力分布

為了更好地比較兩道焊縫的殘余應(yīng)力，取第1道和第2道焊縫相同位置處(焊縫上表面中心線)的兩條路徑分別記為P1和P2，比較兩條路徑上的等效應(yīng)力值，如圖6所示。由圖6可知：路徑P1的應(yīng)力值大于P2路徑。應(yīng)力結(jié)果顯示需要更關(guān)注第1道焊縫的焊接質(zhì)量。

圖6 P1和P2路徑應(yīng)力分布曲線

圖7為焊后冷卻到保溫溫度150 ℃時(shí)的總體變形以及x，y，z方向的焊接變形。計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)時(shí)采用柱坐標(biāo)系，x，y和z分別對(duì)應(yīng)柱坐標(biāo)的徑向、周向和軸向。由圖7a)可知：焊接整體最大變形位于焊縫中間位置，為0.544 mm，圓柱形樁腿的主要變形為焊縫膨脹、收縮導(dǎo)致焊縫上翹的徑向變形。由圖7b)和圖7c)可知：徑向的變形規(guī)律與周向相似。圖7d)為軸向變形。所有變形分布皆關(guān)于焊縫對(duì)稱(chēng)，這是因?yàn)閿?shù)值模擬采用了對(duì)稱(chēng)模型。

圖7 焊接變形分布云圖

對(duì)于圓柱形樁腿一般較為關(guān)注其徑向變形，因?yàn)閺较蚍较虻淖冃沃苯雨P(guān)系到圓柱形樁腿的圓度，變形太大最終可能導(dǎo)致樁腿工作時(shí)承載的不穩(wěn)定性[1]。對(duì)于徑向變形(圖7b))，剔除掉個(gè)別焊縫處的畸變點(diǎn)，應(yīng)更關(guān)注圖中方框區(qū)域內(nèi)的變形量，即圓柱形樁腿的徑向最大變形數(shù)值，保溫溫度為150 ℃情況下該變形量為0.437 mm。

2.3不同初始條件下的結(jié)果對(duì)比與分析

為了有效控制圓柱形樁腿的焊接殘余應(yīng)力和焊接變形，合理選擇焊材的預(yù)熱及保溫溫度至關(guān)重要。本文改變樁腿焊接預(yù)熱與保溫溫度分別為100 ℃與200 ℃，模擬不同預(yù)熱及保溫溫度對(duì)焊接結(jié)果的影響。為確保結(jié)果的合理性，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的參考溫度與選取的預(yù)熱以及保溫溫度一致。針對(duì)圓柱形樁腿焊接的特點(diǎn)，選取保溫狀態(tài)下的最大殘余應(yīng)力和2.2節(jié)中圓柱形樁腿的徑向最大變形數(shù)值作為比較對(duì)象。數(shù)值模擬的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同條件下的計(jì)算結(jié)果

由表2可知：在預(yù)熱及保溫溫度為150 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力值最??；在預(yù)熱及保溫溫度為100 ℃時(shí)，殘余應(yīng)力略大于150 ℃情況下的殘余應(yīng)力，但徑向最大變形較150℃時(shí)有所減??；在預(yù)熱及保溫溫度為200 ℃時(shí)，打底焊接殘余應(yīng)力較大，且徑向最大變形也明顯增大。因此，選取150 ℃作為焊接預(yù)熱及保溫溫度較合適。

3 結(jié) 論

(1)在焊接預(yù)熱與保溫溫度150 ℃的情況下，圓柱形樁腿打底焊接的焊接殘余應(yīng)力最大值為692 MPa，接近NVE 690鋼的屈服應(yīng)力，且第2道焊縫的平均殘余應(yīng)力小于第1道焊縫。焊接變形結(jié)果顯示圓柱形樁腿存在由焊縫膨脹、收縮導(dǎo)致的角變形。樁腿軸向的變形量可以為其無(wú)余量制造提供參考。

(2)改變樁腿焊接的預(yù)熱及保溫溫度分別為100 ℃和200 ℃，通過(guò)對(duì)比最大殘余應(yīng)力和圓柱形樁腿的徑向最大變形數(shù)值可知：選取150 ℃作為焊接預(yù)熱及保溫溫度較為合適，驗(yàn)證了實(shí)際焊接工藝參數(shù)中溫度選取的合理性。后續(xù)工作可以針對(duì)焊接速度等方面進(jìn)行研究，改進(jìn)焊接工藝。

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NumericalSimulationonRootWeldingProcessofCylindricalPileLegsofWindTurbineInstallationVessel

HUAN Xuedong1, SUN Guifang1, LU Yi1, ZHANG Yongkang1, GU Xiang2, WANG Zhengang2

( 1. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189， Jiangsu, China; 2. COSCO Shipyard, Nantong 226005, Jiangsu, China)

In order to improve the welding technology of super large pile legs, numerical simulation of the root welding process for the cylindrical pile legs based on birth-death element and moving Gauss heat model in ANSYS is carried out. Both distribution of residual stresses and welding deformation during the root welding process are simulated. When preheating and insulating at 150 ℃, the maximum welding residual stress is 692 MPa, and the residual stress of the second welding seam is less than that of the first one. The maximum total deformation of the cylindrical pile legs is 0.544 mm, with angle deformation being its main deformation form. Preheating and insulating of pile legs is also carried out at 100 ℃ and 200 ℃ respectively. Results show that preheating and insulating at 150 ℃ is better both for the welding residual stress and the radial deformation.

wind turbine installation vessel; pile leg; numerical simulation; welding deformation; residual stress

TG404

A

2016-07-12

江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(No. BY2015070-05) ；江蘇省工業(yè)支撐計(jì)劃(No. BE2013119)

郇學(xué)東(1991-)，男，碩士研究生

1001-4500(2017)05-0089-05