基于ANSYS核用管道組對變形的有限元分析*

劉 俊，曾慶生

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

在核電工程中，管道組隊(duì)環(huán)形焊縫是一種常見的焊接接頭形式[1]。對于大徑管道全位置焊接，傳統(tǒng)管道焊接組對都是通過人工來完成，這不僅效率低，焊接質(zhì)量也達(dá)不到焊接要求。核反應(yīng)堆冷卻劑直接流過堆芯，是高溫高壓的介質(zhì)，含有高放射性物質(zhì)，一旦發(fā)生主管道破口泄漏，將會對人的身體健康和生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重的危害[2-3]。核電站最容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕泄露事故，而焊縫處是最容易遭到破壞的[4]。因此，提高焊接質(zhì)量是保證核用管道運(yùn)行安全的關(guān)鍵因素之一。

針對主管道工件尺寸和重量較大、焊接空間狹窄等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套激光焊接輔助工裝，可用在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)中心距，適用不同直徑的管道工件，使得管道焊件放置平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速組對，從而減少人工的參與，降低了現(xiàn)場施工的難度，從而提高焊接質(zhì)量[5-6]。但是，管道組對焊接時(shí)，要對管道進(jìn)行組對、定位后才能進(jìn)行焊接。管道組對時(shí)，由于管口加工質(zhì)量、管道局部變形等限制，使管道組對易出現(xiàn)錯邊、間隙不均、局部間隙過大等問題，這不僅增加了焊接實(shí)施的難度，而且容易使焊縫中出現(xiàn)未焊透、夾渣、條形等缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量[7-8]。

使管口組對時(shí)管口錯邊量與間隙量達(dá)到符合焊接的條件，就能在很大程度上降低焊接難度，也能避免管道焊接過程中出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題[9]。由國內(nèi)GB50369—2006壓力管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對口錯邊量的規(guī)定：錯邊量應(yīng)不大于管道厚度的10%[10]。本文為了研究工裝對不同厚度管道組對變形產(chǎn)生的間隙量和錯邊量是否符合實(shí)際要求，利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，ANSYS有限元分析軟件分析管道的變形量和應(yīng)力值，進(jìn)而分析管道組對變形產(chǎn)生錯邊量和間隙，對核管道組對激光焊接提供了理論參考。

1 管道工裝定位裝置的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)滾輪之間的距離

焊接滾輪架是一種重要的焊接輔助裝置，在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中為使焊件在滾輪架上獲得可靠的穩(wěn)定性，由我國制定的JB/T 9187—1999《焊接滾輪架》中規(guī)定：焊接滾輪架每對滾輪的中心距必須能根據(jù)筒體類工件的直徑作相應(yīng)的調(diào)整，保證兩滾輪對管道的中心角大于45°，小于110°[11]。

市場上用的較多管道焊接支撐定位塊較多采用滾輪架的形式，這種形式滾輪架大多都是利用滾輪和管道之間摩擦力帶動管道旋轉(zhuǎn)。因此要使管道平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，滾輪之間要保持有足夠大的摩擦力，并且滾輪要保持同步轉(zhuǎn)動，否則管道可能會發(fā)生打滑以及出現(xiàn)亂竄的現(xiàn)象，從而影響焊接質(zhì)量[12]。對于大徑管道體積大、質(zhì)量重等特點(diǎn)，自重下都會產(chǎn)生變形，在實(shí)際過程中不利于轉(zhuǎn)動。為了避免上述情況，本文所設(shè)計(jì)的主管道焊接輔助工裝管道和滾輪保持不動，通過焊接小車進(jìn)行全位置環(huán)縫激光焊接。管道定位后只受重力作用，由圖1可知，管道徑向力Fn、切向力Ft和重力G的關(guān)系如下：

(1)

(2)

本工裝滾輪架將選擇中心角為70°來設(shè)計(jì)。由表1可知本次設(shè)計(jì)的4t滾輪架選取滾輪直徑為250 mm，通過正弦定理可以解出兩滾輪距離L=716.97 mm(圖1)。

圖1 滾輪架結(jié)構(gòu)簡圖

表1 滾輪直徑選擇

1.2 管道定位裝置三維模型的構(gòu)建

管道焊接輔助工裝設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)要求外形尺寸為：3500 mm×1600 mm×2100 mm(高)；基本承載能力：≤2000 kg；適用于主管道工件的環(huán)縫焊接；管道直徑適應(yīng)尺寸：Φ1000～1200 mm；可焊接管道工件長度：1200 mm；管道垂直方向調(diào)節(jié)行程：200 mm；模塊化設(shè)計(jì)，可快速方便地組對；尾座移動行程：500 mm；要求組對間隙≤1 mm。管道定位裝置通過滾輪架作支撐，管道固定末端采用L型擋板作支撐，為了減小管道因自重發(fā)生變形，固定端利用反變形原理，通過壓緊模塊壓緊管道內(nèi)壁，減小管道變形。利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行三維建模(圖2)。

圖2 管道定位裝置

2 有限元模型的創(chuàng)建

2.1 材料特性

管道、工裝分別采用雙相不銹鋼、碳素鋼(Q235)材料。所用材料的材料特性如表2所示。

表2 材料特性表

2.2 結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格處理

在網(wǎng)格的劃分之前應(yīng)該要充分考慮模型結(jié)構(gòu)性，尤其對于大型結(jié)構(gòu)體，通過簡化模型，不僅可以減少網(wǎng)格劃分的工作量，而且能提高有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量以及計(jì)算效率[13]。本文只分析管道變形的情況，因此，可以將工裝一些零件做相關(guān)簡化(圖3(a))。網(wǎng)格類型采用系統(tǒng)默認(rèn)類型，全局網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為50 mm，管道與工裝接觸部分進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化處理，使接觸應(yīng)力的求解結(jié)果更加準(zhǔn)確，局部網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為3 mm(圖3(b))，其他采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

圖3 管道網(wǎng)格模型

2.3 接觸設(shè)置

對于Ansys Workbench分析軟件支持點(diǎn)和點(diǎn)接觸、點(diǎn)和面接觸以及面和面接觸方式，針對不同接觸問題應(yīng)該選擇不同接觸單元類型[14]。對于管道與工裝接觸類型選用面面接觸問題來進(jìn)行分析，由于主要分析管道的變形量以及應(yīng)力情況，因此選擇管道面作為接觸面，工裝作為目標(biāo)面(圖4)，對各接觸面之間設(shè)置摩擦接觸類型，摩擦系數(shù)為0.2。

圖4 面面接觸

2.4 載荷及約束

工裝各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置全約束，在整個(gè)分析過程中管道只受自身重力，在Y軸方向設(shè)置重力加速度9800 mm/s2。

2.5 求解結(jié)果及分析

利用ANSYS有限元分析軟件，通過靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，得出10 mm、12 mm、15 mm、18 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm這一系列厚度下，直徑為1000 mm管道的整體變形、徑向變形和軸向變形以及整體應(yīng)力值 (如表2管道有限元分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表)。通過Ansys后處理功能顯示變形量及應(yīng)力值的等效應(yīng)力云圖(以厚度為10 mm為例)，如圖6所示。根據(jù)分析的數(shù)據(jù)得出變形量以及應(yīng)力在不同厚度變化下的折線圖，如圖7所示。

圖5 載荷及約束

圖6 應(yīng)力變形云圖

圖7 管道有限元分析結(jié)果線性圖

表3 管道有限元分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3 總結(jié)

本文針對主管道工件尺寸和重量較大特點(diǎn)，利用SoilidWorks三維軟件設(shè)計(jì)了一套激光焊接輔助工裝，然后利用ANSYS 有限元分析軟件對管道的變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析，得出了管道在不同厚度情況下的變形量和應(yīng)力值。分析結(jié)果表明：隨著管道厚度的增大，管道的最大應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，厚度超過40 mm時(shí)，應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力20.592 MPa。管道變形量成弧線性變化，管道的厚度越大，變形量越小。管道厚度小于12 mm時(shí)，組對錯邊量超過管道厚度的10%。