[發明專利]核電工程用六角管的焊接殘余應力與變形的預測方法

有效

• 申請號: 201811461901.5
• 申請日: 2018-12-02
• 公開（公告）號: CN109543333B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 姜潮;劉志成;張哲
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 長沙惟盛赟鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 43228
• 代理人: 周友福

本發明屬于核工程領域，具體涉及一種核電工程用六角管的焊接殘余應力與變形的預測方法，該方法具體步驟包括，1.建立六角管的幾何模型，2.利用有限元軟件建立六角管焊接瞬態熱傳導模型，3.利用坐標變換的方式將全局坐標系的坐標原點變換到每一個圓弧段圓心坐標，編寫六角管移動熱源子程序；4.基于六角管材料溫度相關的熱物理性能參數利用步驟二中編寫的子程序求解焊接溫度場歷史；5.利用有限元軟件構建六角管靜力學模型，6.將步驟四中仿真求解得到的焊接溫度場歷史作為熱載荷，基于六角管材料的熱力學性能參數求解焊接殘余應力與殘余變形。通過上述步驟可以對六角管這一核工程中復雜截面形狀的焊接結構的殘余應力場/殘余變形進行有效地預測。

技術領域

本發明屬于核工程領域，特別是涉及一種核電工程用六角管的焊接殘余應力與變形的預測方法。

技術背景

核燃料棒由燃料芯塊、六角管、上端塞、下端塞、壓緊彈簧等部分組成。燃料棒的制造普遍采用芯塊填裝法：首先將下端塞和六角管焊接，然后將芯塊、彈黃等裝入六角管，再壓人上端塞進行焊接。六角管需要面臨高溫、高壓、強烈的中子輻照、硼水腐蝕等不同服役環境的嚴峻考驗。因此除了對六角管本身的材料特性要求高外，六角管與上下端塞的連接要求致密而強固，達到工業上所要求的堅固度甚至更高的標準。上下端塞與六角管的焊接一般在六角管專用焊接裝置上完成，一般采用TIG自熔焊焊接工藝。焊接工作站由工件傳送，夾持，翻轉系統，提升系統、雙焊炬機頭等組成。焊接時焊槍旋轉、工件固定。如上所述，六角管焊接結構需要在高溫、高溫以及腐蝕等環境下服役。因此不同的焊接工藝參數下所產生的焊接殘余應力屬性以及焊接殘余變形對于六角管的服役可靠性有著比較大的影響。焊接殘余應力可能會造成六角管的應力腐蝕效應，焊接殘余變形可能會影響燃料棒束的裝配精度，從而降低六角管的服役可靠性。對圓形截面或者直線軌跡的圓管/板材焊接的殘余應力場進行仿真模擬，焊接移動熱源子程序的編寫較為簡單，而在六角管的焊接結構中，焊接熱源的移動軌跡為直線與圓弧交替的一個閉環路線，其軌跡較為復雜，難以直接進行仿真模擬。

發明內容

本發明針對六角管復雜截面的殘余應力與變形的仿真模擬難度大的問題，提供了一種核電工程用六角管的焊接殘余應力與變形的預測方法。具體技術方案如下：

一種核電工程用六角管的焊接殘余應力與變形的預測方法，包括如下步驟：

步驟一：建立六角管的幾何模型；

步驟二：利用有限元軟件建立六角管焊接瞬態熱傳導模型；

步驟三：利用坐標變換的方式將全局坐標系的坐標原點變換到每一個圓弧段圓心坐標，并編寫六角管移動熱源子程序；

步驟四：基于六角管材料溫度相關的熱物理性能參數利用步驟二中編寫的子程序求解焊接溫度場歷史；

步驟五：利用有限元軟件構建六角管靜力學模型；

步驟六：將步驟四中仿真求解得到的焊接溫度場歷史作為熱載荷，基于六角管材料的熱力學性能參數求解焊接殘余應力與殘余變形；

進一步的，所述步驟二中的焊接過程的瞬態熱傳導模型為：

上述式中，ρ、c分別為密度及比熱容，T為瞬時溫度，t為當前時間，x,y,z為參考坐標系，為空間梯度算子，為熱流矢量，為內部的熱量生成速率。

進一步的，所述步驟五中的靜力學模型是基于順序熱耦合的原理，將瞬態熱傳導分析改為靜力學分析，將單元類型由瞬態熱傳導的類型修改為靜力學的類型。

進一步的，所述步驟六包括將溫度場作為熱載荷進行焊接結構的彈塑性力學分析，通過彈塑性力學分析得到的總應變率，所訴總應變率包括下面三個部分：式中，為彈性應變速率,為熱應變速率,為塑性應變速率。