基于ANSYS焊接残余应力有限元分析技术研究.doc

基于ANSYS焊接残余应力有限元分析技术研究
以岭澳核电站控制棒驱动机构耐压壳Ω环焊接修复为例，应用ANSYS有限元生死单元技术模拟焊接流程，计算出焊接后残余应力的分布，绘制出残余应力分布曲线，并与美国WSI公司的计算结果进行对比分析。结果表明，本课题的计算结果与美国焊接公司（WSI公司）一致。因此，焊接残余应力有限元分析技术可以用于反应堆耐压壳焊接修复评价。
1前言
焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。
随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。某核电站控制棒驱动机构(CRDM)耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。
通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。
因此，进行焊接残余应力有限元分析技术的研究是非常有必要的。
2焊接实例
本文以某核电站CRDM耐压壳Ω焊接为研究对象，分析研究焊接后的残余应力分布。
CRDM耐压壳包括上段是驱动杆行程套管和下段的密封壳。驱动杆行程套管与密封壳采用螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行连接和密封。驱动杆行程套管的上端采用端塞，通过螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行密封。CRDM耐压壳采用的这种密封结构形式是一种便于拆装的焊接密封结构，由于其内力的整体平衡主要由连接螺纹承担，Ω焊缝功能上主要起密封作用。其结构及尺寸见图1和图2。

图2密封焊缝的结构尺寸图
对CRDM耐压壳上的Ω密封焊缝的修复采用OVERLAY修复技术。即在出现泄漏的Ω密封焊缝(CSW)处，经打磨后用GTAW方法堆焊INCONEL52。
从采用OVERLAY技术修复CRDMΩ密封焊缝的总报告[1]可知：
(1)堆焊两层，每层厚度为2.032mm(0.08in)，总厚度为4.064mm(0.16in)。
(2)堆焊共进行12道，其堆焊次序见图3。
(3)应用ANSYS5.3有限元程序模拟焊接过程，进行了温度场分析和热应力分析，确定残余应力分布。

图3计算分析的焊道定义图
3有限元生死单元技术
有限元生死单元是指在模型加载过程中的某一指定时间，控制单元的生死选项，以实现在此指定时间内结构的“存在”或“不存在”。
单元生死选项并非真正的删除或重新加入单元，死单元在模型中依然存在，但其单元载荷、质量、阻尼、比热等为0。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。
若使单元重生，即在前处理器中激活它们，单元特性就建立了，这样就能实现焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部份。
在ANSYS程序中，单元类型PLANE55(热单元)和PLANE182(结构单元)都支持单元生死功能，将分别应用于温度场计算和应力计算分析中。单元生死分别用EALIVE和EKILL命令执行，并打开分析选项中的完全牛顿-拉佛森(fullNewton-Raphson)方法，将得到较好的非线性计算收敛结果。
4有限元模拟焊接流程计算
利用有限元生死单元技术既可模拟焊接过程中的堆焊部分，分别加载能量进行温度场计算达到模拟焊接的整个过程。
分析时首先建立有限元模型，见图4，平面单元均为PLANE55(热单元)，接触单元用CONTA171(接触元)和CARGE169(目标元)，其捏合压力为1.8Pa(2.62E-4ksi)，摩擦系数为0.5。

图4有限元模型图
在温度场计算时，首先将12条焊道的单元“杀死”，进行初始条件计算，时间历程的影响关闭，然后逐条激活12条焊道。在激活一条焊道后，首先输入焊接能量，然后能量释放，最后自然冷却。当12道焊接焊完后，还需进行最终稳态计算，此时，时间历程的影响又关闭，温度场达到平衡。有限元模拟焊接过程的具体流程见表1。

表1有限元模拟焊接流程
5残余应力计算结果及对比分析
应力场计算时，将模型中的热单元PLANE55换成结构单元PLANE182，加入材料的双线性随动强化特性，定义边界条件，即将上部驱动杆行程壳体截面(模型右端面)固定约束，打开分析选项中的完全牛顿-拉佛森(fullNewton-Raphson)方法，调入温度场进行应力场计算。
在调入温度场时，需对应于温度场计算时的时刻进行焊道单元的生或死激活。在