[发明专利]数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟领域，更加具体地说，涉及一种基于abaqus数值模拟P92与S30432异种钢管焊接热影响区宽度的方法。

背景技术

新型P92马氏体耐热钢以其优异的抗蠕变性能和良好的抗腐蚀和高温抗氧化能力已成为超超临界机组过热器、再热器以及主蒸汽管道的常用钢种之一。但是由于和传统锅炉用钢奥氏体钢性能成分上有明显差异,它与新型奥氏体耐热钢之间的异种钢焊接问题是当前锅炉制造的一大难点。P92与S30432焊接时，由于临近焊缝部位的母材形成热影响区降低材料的韧性，从而影响其高温性能。同时一些研究表明，P92焊接结构在高温服役时，易在热影响的细晶区发生蠕变开裂，严重影响构件的服役寿命。因此探索合理的异种钢焊接工艺以降低P92热影响区宽度，进而减少蠕变开裂的概率具有重要意义。

随着计算机技术的发展，数值模拟技术广泛应用于焊接领域，焊接数值模拟技术有效的降低了实验成本，并对预测焊接结构的温度及应力状态提供了一定理论指导作用。因此，为了降低研究成本，并为实际P92与S30432异种钢焊接提供理论指导，探索一种P92与S30432异种钢焊接热影响区宽度随焊接电流变化规律的数值模拟方法具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于abaqus数值模拟P92与S30432异种钢管焊接热影响区宽度随焊接电流变化的方法，其中热源模型选取接近实际焊接状态的双椭球热源模型，通过fortran语言编写程序，实现不同焊接电流下热源沿管道周向移动，真实的模拟了实际焊接状态。取靠近P92端最后一道焊缝外壁节点的温度变化，找出热影响区宽度随焊接电流的变化规律。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，按照下述步骤进行：

（1）建立焊接模型并赋予材料热物理系数：模型长度为200mm、壁厚10mm、外径45mm，焊缝为V型坡口，坡口角度为70°。完成整体模型建立后在Property模块中定义不同材料热物理系数，包括母材P92、S30432以及镍基合金焊丝NiCr-3的热导率、线膨胀系数、密度、比热容等。其中各系数均随温度变化而变化，具体数值参照博士论文《超超临界机组用T/P92异种钢焊接接头结构与性能的研究》。

（2）模型网格划分：该模拟主要为进行焊接温度场的模拟，因此计算选用DC3D8热分析单元，该种单元为八节点六面体单元。为减少计算时间，焊缝附近网格较细，远离焊缝母材区域网格较粗。模型最终节点数为31020，网格数为27600。

（3）各参数的设置：由于实际焊接过程中，存在热散失，在数值模拟中对该情况应予以考虑。因此在模型中应设置流换热系数，该系数随温度的不同而发生变化。实际中在刚实施焊接时，整体结构处于室温下，因此在计算中需要进行预温度场的设置，即为模型赋予初始温度，该设置在PredefinedField模块中中对全部节点施加温度20℃。然后，在Step功能模块中进行分析步设置，每一道焊缝包括激活单元、加热、冷却三个分析步。其中加热、冷却分析步时间的确定应严格按照实际焊接工艺计算得到。最后在Load功能模块中对焊缝施加热载荷，设置读取热源子程序，以实现焊接温度场的模拟。

（4）热源模型：热源模型选取与焊接实际情况较为接近的双椭球热源，通过fortran语言编写程序实现由直角坐标到柱坐标的变化，同时并调整热源形状参数。前半球椭球按公式（1）计算，后半球椭球按公式（2）计算。