核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量仿真研究＊

陳鵬張樹瀟張濤羅鋒吳曄華劉一搏

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核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量仿真研究＊

陳鵬1，張樹瀟1，張濤2，羅鋒1，吳曄華1，劉一搏2，3

（1.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

核電SC構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫數(shù)量多、拼裝精度高的特點，如何實現(xiàn)對焊接變形的預(yù)測與控制是目前需要解決的問題。以核電SC結(jié)構(gòu)橫焊子模塊為研究對象（長度超過24 m），建立了SC結(jié)構(gòu)模塊1∶1尺寸三維數(shù)值模型。并采用局部-整體有限元計算方法對結(jié)構(gòu)焊后的變形量進行了數(shù)值仿真。結(jié)果表明，由于焊接順序和各板體內(nèi)部的鋼筋密度不同，子模塊各板體表現(xiàn)出不同的變形分布特征。變形集中分布在2#板體中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，最大變形量為3.83 mm。3#板體的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量為2.1 mm。模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果具有較高的吻合度。

大型結(jié)構(gòu)件；焊接變形；局部-整體映射有限元；數(shù)值模擬

1 引言

CAP1400屏蔽廠房外露筒體采用鋼板混凝土結(jié)構(gòu)（簡稱“SC結(jié)構(gòu)”），是核電站安全的最后一道屏障。SC結(jié)構(gòu)鋼板厚度為20 mm（局部加厚為25 mm），內(nèi)外兩側(cè)鋼板之間用對穿鋼筋連接。焊縫總長可以達到1 799.6 m，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫數(shù)量多、矯形難度大的特點。焊接變形是目前影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和建造效率的主要問題之一，焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且還會影響整體結(jié)構(gòu)的使用性能[1-3]。因此，在設(shè)計和施工時需要充分考慮焊接變形的規(guī)律和特點，特別是對大型結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測具有重要意義。

通過數(shù)值仿真的方法研究焊接變形規(guī)律，有助于減少工藝試驗量，并對實際焊接變形的預(yù)測及控制有一定的指導(dǎo)作用[4-5]。目前的研究方法中，主要包括熱彈塑性有限元法、固有應(yīng)變法、線彈性體積收縮法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6-8]。其中，熱彈塑性有限元方法對焊接變形及殘余應(yīng)力的預(yù)測具有較高的模擬精度。但是，當(dāng)面對大型構(gòu)件模擬計算時，會存在求解時間長、計算結(jié)果不易收斂等問題，難以滿足實際工程的要求[9]。固有應(yīng)變法和線彈性體積法等方法可以對大型結(jié)構(gòu)的變形趨勢進行很好預(yù)測，但是變形量精度還有待提高。相比之下，局部-整體映射有限元方法更適合對大型焊接構(gòu)件進行變形仿真研究[10-11]。焊接構(gòu)件變形主要是由焊縫及其附近區(qū)域的應(yīng)力與應(yīng)變造成的，在遠離焊縫區(qū)域的變形可以看做是彈性變形。因此，可以通過將主要應(yīng)變區(qū)的塑形應(yīng)變單獨計算并提取出來，映射到整體模型當(dāng)中來計算最終結(jié)構(gòu)的變形。本文采用sysweld軟件中的局部-整體模塊來實現(xiàn)核電SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊焊接變形量的模擬仿真，模擬中詳細考慮了實際結(jié)構(gòu)的尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)細節(jié)、焊接順序、坡口形式及工裝卡具的影響，并對焊后的結(jié)構(gòu)變形行為進行了分析和驗證。

2 模擬建模及驗證方法

2.1 整體模型尺寸及材料

SC結(jié)構(gòu)橫焊子模塊主要包含3個子模塊（分別為1#、2#和3#）共6塊板材，每對板材之間設(shè)有對穿鋼筋，根據(jù)鋼筋密度的不同，分為加密區(qū)與非加密區(qū)2個部分。單板尺寸為：12 559 mm×3 000 mm×20 mm。其中1#和2#子模塊先進行立焊拼接，矯形后再將3#板材拼裝在其上方進行橫焊工位的焊接。SC橫焊1∶1整體模擬件三維模型如圖1所示，左下為1#子模塊（加密區(qū)），右下為2#子模塊（非加密區(qū)），上側(cè)為3#子模塊（加密區(qū)）。板體材料為Q345B，焊縫材料為ER70S-6，材料差異對本模擬的溫度場及變形結(jié)果影響可以忽略。

圖1 SC橫焊1∶1子模塊整體數(shù)學(xué)模型

2.2 結(jié)構(gòu)細節(jié)分析與建模

SC三合一橫焊子模塊結(jié)構(gòu)主要包括板體區(qū)、鋼筋區(qū)、焊縫區(qū)3部分。其中，鋼筋直徑為20 mm。不同板體內(nèi)部的鋼筋密度有所不同，加密區(qū)的鋼筋間距為150 mm，非加密區(qū)的鋼筋間距為450 mm，具體分布如圖2所示。坡口及焊縫的尺寸模型如圖3所示，并根據(jù)實際焊縫的填充層數(shù)和焊縫道數(shù)，對焊縫截面進行建模。SC橫焊子模塊現(xiàn)場防變形工裝采用蹄型角鐵約束法，建模中采用sysweld軟件中的約束模塊，對相應(yīng)位置進行等效約束。同時，為了提高模擬與實際情況的符合度，對模擬中的焊接順序進行了詳細考慮，通過分組模塊對每一道焊縫的焊接順序進行了分組與編號，來實現(xiàn)內(nèi)外側(cè)同時焊接、分段焊接與交錯焊接等。

圖2 板材之間的鋼筋分布

圖3 外側(cè)橫焊坡口及焊縫（加墊板）

2.3 熱源校核

模擬中采用雙橢球熱源模型作為電弧熱源，并通過焊接過程中溫度場的實際測量結(jié)果來對熱源模型進行修正與校核，測量點沿垂直焊縫方向分布，在sysweld中利用時間歷程處理器，提取三維模型中任意節(jié)點溫度的時間歷程曲線。模擬溫度結(jié)果和實測結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)分析，模擬結(jié)果中的溫度結(jié)果數(shù)值與實際測量的溫度變化趨勢一致，數(shù)值偏差在10～20 ℃，具有較高的模擬精度，可以滿足后續(xù)實驗要求。

圖4 模擬溫度場與實測溫度對比圖

2.4 變形量現(xiàn)場測量

為了驗證變形量模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用全站型電子測距儀對現(xiàn)場SC三合一橫焊子模塊的焊后變形量進行了測量。測量前對6個板面（1N、1W、2N、2W、3N、3W）分別進行點位標(biāo)定，如圖5所示，所得測量結(jié)果后續(xù)將與模擬結(jié)果進行比較。

圖5 板材表面測量點位分布圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 局部模型變形

為了提高模擬精度，模擬中對局部模型截面網(wǎng)格進行了細化處理。此外，橫焊中涉及多道多層焊縫，局部模型計算時需對每一道每一層焊縫的塑形應(yīng)變分布進行計算。模擬過程中，熱源會按焊縫的排布順序進行加載。當(dāng)加載第一道焊縫時，后面的焊縫網(wǎng)格節(jié)點不參與模擬計算，只計算第一道焊縫與板材的應(yīng)力變形。

當(dāng)加載第二道時，只計算第二道焊縫對第一道焊縫和母材的應(yīng)力變形，后面的焊縫網(wǎng)格節(jié)點不參與模擬計算。諸如此類，依次疊加直到全部焊縫區(qū)域計算完成。將每一道焊縫所引起的塑形應(yīng)變數(shù)據(jù)分別進行存儲，后續(xù)再映射到SC三合一橫焊子模塊模型當(dāng)中。

3.2 SC三合一橫焊子模塊變形

通過三合一模擬件數(shù)值模擬，得到焊后板材法向方向和軸（豎直）方向整體結(jié)構(gòu)的變形分布結(jié)果。從模擬結(jié)果分析，針對焊后板材法向量方向變形，三合一橫焊子模塊中2#子模塊板材的變形量最大，3#子模塊板材次之。變形集中分布在2#板材中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，板材最大變形量在3.83 mm左右。3#板材的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#子模塊外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量在2.1 mm左右。針對焊后軸方向的變形分布，模擬中考慮了板材的自重和地表約束。三合一板材軸方向上的彈塑性變形為0.3～0.6 mm，鋼筋的彎曲變形在軸上的位移分量最大可以達到2.5 mm，說明鋼筋結(jié)構(gòu)對整體三合一變形抑制上起到了明顯的作用。

為了獲得整個結(jié)構(gòu)的變形趨勢，將模擬結(jié)果中三合一橫焊子模塊變形量放大100倍后，從模擬結(jié)果中可以看出，1#、2#、3#板體整體上呈向徑向外側(cè)變形的趨勢，2#板體的變形最大。分析認為，一方面橫焊焊縫主要作用在2#板體上方，另一方面2#板體內(nèi)部的鋼筋密度要低于3#和1#板體，因此變形比較突出。相比之下，橫焊整個焊縫區(qū)域呈現(xiàn)向徑向內(nèi)側(cè)收縮變形的趨勢。

4 模擬結(jié)果與實際驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將SC橫焊子模塊現(xiàn)場測量結(jié)果與模擬結(jié)果進行變形量比較，如表1所示。取點位置來自1#、2#、3#子模塊的6個板體面，具體包括變形量比較大的2#板體中下部區(qū)與板體邊緣區(qū)，各板體焊縫附近區(qū)域以及變形最大區(qū)，基本上可以代表板材表面的特征點。從表1可以看出，在變形量較大的測點位置模擬結(jié)果具有較高的精度，誤差可以控制在20%以內(nèi)。在變形較小的區(qū)域，變形量基值很小，相對誤差高，但不影響對變形趨勢和規(guī)律的分析。造成誤差的來源主要包括板材實際尺寸的偏差、環(huán)境溫度、地表摩擦力對變形造成的抗力等。

表1 模擬變形量與實際測量對比

板材編號NmbNODE_ID模擬值/mm實測/mm誤差/（%） 1N63597552.062 41.8 11.10 1N33272240.740 361.2 41.70 1N25692040.933 850.5 80.00 1N30685111.336 411.2 8.30 1W31052320.342 290.4 15.00 1W51055170.523 170.6 13.30 1W25671880.812 451.0 20.00 1W37252761.339 251.5 11.30 2N163585003.150 42.9 6.90 2N323253793.166 813.0 6.70 2N253245513.689 733.4 5.90 2N283249093.187 322.9 10.30 2N3356959-1.447 97-1.8 22.20 2N5357202-1.231 54-1.6 25.00 2W13603403.194 992.8 14.30 2W173272193.22.4 33.30 3N8282861.650 781.4 14.30 3N9282521.681 790.9 77.80 3N16280001.546 491.3 15.40 3N37239442-1.064 76-1.2 20.00 3W1307351.604 911.9 15.80 3W9311071.688 751.5 13.30 3W15313831.121 610.730.00 3W38240769-1.075 29-1.880.00

5 結(jié)束語

通過研究，得出結(jié)論為：①采用局部-整體映射有限元方法實現(xiàn)了核電站SC結(jié)構(gòu)橫焊1∶1子模塊的焊接變形量仿真，模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果具有較高的吻合度。②橫焊子模塊板體呈向徑向外側(cè)變形的趨勢，非加密區(qū)的2#板體的變形最大。橫焊焊縫區(qū)域呈現(xiàn)向徑向內(nèi)側(cè)收縮變形的趨勢。③由于焊接順序和各板體內(nèi)部的鋼筋密度不同，三對板體表現(xiàn)出不同的變形分布特征。變形集中分布在2#板體中部鋼筋疏區(qū)和板材邊緣處，以及橫焊焊縫區(qū)域附近，最大變形量為3.83 mm。3#板體的最大變形分布在焊縫區(qū)、板材頂部中間區(qū)域和3#外側(cè)板邊緣區(qū)域，最大變形量為2.1 mm。

［1］呂仲，韓巧珍.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制［J］.電焊機，2011，41（8）：73-75.

［2］王慶田，余志偉，冷曉春，等.壓水堆核電廠上支撐柱焊接變形的分析與控制［J］.焊接技術(shù)，2018，47（2）：73-76.

［3］趙登東.有限元分析模擬焊接過程中的變形和殘余應(yīng)力［J］.焊接技術(shù)，2018，47（6）：80-83.

［4］許晗，張志昌，李正強.快運貨車耐候鋼薄板CMT焊接工藝及變形規(guī)律研究［J］.電焊機，2018，48（7）：76-79.

［5］李滋亮，劉劍橋，任森棟，等.尺寸因素對SUS304不銹鋼殘余應(yīng)力和焊接變形的影響［J］.機械工程學(xué)報，2018，54（10）：59-66.

［6］遲哲，劉亞良，王陸釗，等.基于固有應(yīng)變法的地鐵側(cè)墻FSW焊接變形仿真［J］.電焊機，2017，47（10）：1-7.

［7］李磊，戴凱云，任帥，等.基于SYSWELD的船體結(jié)構(gòu)焊接工藝仿真及優(yōu)化［J］.機械設(shè)計與制造，2016（10）：137-141.

［8］劉黎明，梁國俐，劉玉君，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的船舶高強鋼焊接變形分析預(yù)測［J］.焊接學(xué)報，2002，23（01）：27-33.

［9］區(qū)達銓，王發(fā)展，趙申，等.大型復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)焊接變形與應(yīng)力控制仿真［J］.中國機械工程，2018，29（5）：616-622.

［10］李婭娜，謝素明，兆文忠.基于“局部-整體”映射有限元的大型焊接結(jié)構(gòu)變形仿真研究［J］.機械工程學(xué)報，2014，50（8）：40-44.

［11］蔡志鵬，趙海燕，鹿安理.結(jié)合模型試驗的數(shù)值模擬方法在大型結(jié)構(gòu)焊接變形控制中的應(yīng)用［J］.機械工程學(xué)報，2002，38（10）：100-104.

陳鵬（1992—），男，河北保定人，本科，學(xué)士學(xué)位，初級工程師，主要從事核電建造焊接技術(shù)研究工作。

劉一搏（1987—），黑龍江人，博士，講師，研究方向為增材制造、異種金屬連接。

國家科技重大專項（編號：2017ZX06002008-002-006）

2095－6835（2019）01－0035－03

TG404

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.035

〔編輯：嚴麗琴〕