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新型高Cr铁素体耐热钢焊接残余应力的数值模拟研究
摘要
新型高Cr铁素体耐热钢广泛应用于石油化工、核能工业等领域。但在使用过程中，焊接残余应力往往会导致零部件的破坏，对设备的可靠性和安全性产生不利影响。因此，减少焊接残余应力是非常重要的，采用数值模拟方法进行研究是一种有效的手段。本文介绍了对新型高Cr铁素体耐热钢进行焊接残余应力的数值模拟研究的方法和结果。通过有限元分析建立了模型，并在此基础上进行了参数分析，探讨了焊接残余应力产生机理，提出了优化焊接工艺的建议。结果表明，焊接过程中材料的热膨胀系数直接影响焊接残余应力的大小，而采用合适的预热温度和焊接速度，则可以减少焊接残余应力的大小。这对于新型高Cr铁素体耐热钢在工业领域的应用具有重要的意义。
关键词：新型高Cr铁素体耐热钢；焊接残余应力；数值模拟；有限元分析
Abstract
ThenewhighCrheat-resistantsteeliswidelyusedinthefieldsofpetrochemical,nuclearenergyandotherindustries.However,weldingresidualstressoftenleadstothedamageofcomponentsintheprocessofuse,whichhasanadverseeffectonthereliabilityandsafetyofequipment.Therefore,reducingweldingresidualstressisveryimportant,andnumericalsimulationisaneffectivemeanstostudyit.ThispaperintroducesthemethodandresultsofnumericalsimulationofweldingresidualstressofnewhighCrheat-resistantsteel.Amodelwasestablishedbyfiniteelementanalysis,andparameteranalysiswascarriedoutonthisbasistoexplorethemechanismofweldingresidualstressandputforwardsuggestionsforoptimizingweldingprocess.Theresultsshowthatthethermalexpansioncoefficientofthematerialdirectlyaffectsthemagnitudeofweldingresidualstress,andappropriatepreheatingtemperatureandweldingspeedcanreduceweldingresidualstress.ThisisofgreatsignificancefortheindustrialapplicationofnewhighCrheat-resistantsteel.
Keywords:newhighCrheat-resistantsteel;weldingresidualstress;numericalsimulation;finiteelementanalysis
一、引言
新型高Cr铁素体耐热钢具有较好的耐高温、耐蚀性能，在石油化工、核能工业等领域得到广泛应用。然而，在使用过程中，焊接残余应力往往会导致零部件的破坏，对设备的可靠性和安全性产生不利影响，因此，减少焊接残余应力是非常重要的。采用数值模拟方法进行研究，可以有效地减少试验成本，提高研究效率。
二、数值模拟方法
本文采用有限元分析方法进行模拟研究。建立了焊接过程的三维有限元模型，包括热源、焊接材料和基底材料，其中焊接材料和基底材料分别选用了新型高Cr铁素体耐热钢。
在建立模型时，需要确定焊接过程的材料力学参数、热物理参数和边界条件等。其中，焊接过程的热源采用了高斯热源，热传导方程和应力平衡方程采用了瞬态状态下的全隐式差分格式。
在进行计算时，采用了弧长法和非线性迭代方法来解决接缝几何形状和材料性能随温度变化的复杂非线性问题。计算结果包括温度场、残余应力场和位移场等。
三、参数分析与优化建议
通过对新型高Cr铁素体耐热钢焊接过程的数值模拟，对焊接残余应力产生的机理进行了探讨，并提出了优化的建议。
1.热膨胀系数
通过参数分析可以发现，焊接过程中材料的热膨胀系数直接影响焊接残余应力的大小。因此，在焊接过程中应尽可能选择热膨胀系数相近的材料进行焊接，或者通过调整焊接温度和焊接速度等参数，来达到减小焊接残余应力的目的。
2.预热温度
预热温度对焊接结构的性能有很大的影响。当预热温度过高时，焊接结构中的残余