[发明专利]核电工程用六角管的焊接残余应力与变形的预测方法

说明书

本发明属于核工程领域，具体涉及一种核电工程用六角管的焊接残余应力与变形的预测方法，该方法具体步骤包括，1.建立六角管的几何模型，2.利用有限元软件建立六角管焊接瞬态热传导模型，3.利用坐标变换的方式将全局坐标系的坐标原点变换到每一个圆弧段圆心坐标，编写六角管移动热源子程序；4.基于六角管材料温度相关的热物理性能参数利用步骤二中编写的子程序求解焊接温度场历史；5.利用有限元软件构建六角管静力学模型，6.将步骤四中仿真求解得到的焊接温度场历史作为热载荷，基于六角管材料的热力学性能参数求解焊接残余应力与残余变形。通过上述步骤可以对六角管这一核工程中复杂截面形状的焊接结构的残余应力场/残余变形进行有效地预测。

技术领域

本发明属于核工程领域，特别是涉及一种核电工程用六角管的焊接残余应力与变形的预测方法。

技术背景

核燃料棒由燃料芯块、六角管、上端塞、下端塞、压紧弹簧等部分组成。燃料棒的制造普遍采用芯块填装法：首先将下端塞和六角管焊接，然后将芯块、弹黄等装入六角管，再压人上端塞进行焊接。六角管需要面临高温、高压、强烈的中子辐照、硼水腐蚀等不同服役环境的严峻考验。因此除了对六角管本身的材料特性要求高外，六角管与上下端塞的连接要求致密而强固，达到工业上所要求的坚固度甚至更高的标准。上下端塞与六角管的焊接一般在六角管专用焊接装置上完成，一般采用TIG自熔焊焊接工艺。焊接工作站由工件传送，夹持，翻转系统，提升系统、双焊炬机头等组成。焊接时焊枪旋转、工件固定。如上所述，六角管焊接结构需要在高温、高温以及腐蚀等环境下服役。因此不同的焊接工艺参数下所产生的焊接残余应力属性以及焊接残余变形对于六角管的服役可靠性有着比较大的影响。焊接残余应力可能会造成六角管的应力腐蚀效应，焊接残余变形可能会影响燃料棒束的装配精度，从而降低六角管的服役可靠性。对圆形截面或者直线轨迹的圆管/板材焊接的残余应力场进行仿真模拟，焊接移动热源子程序的编写较为简单，而在六角管的焊接结构中，焊接热源的移动轨迹为直线与圆弧交替的一个闭环路线，其轨迹较为复杂，难以直接进行仿真模拟。

发明内容

本发明针对六角管复杂截面的残余应力与变形的仿真模拟难度大的问题，提供了一种核电工程用六角管的焊接残余应力与变形的预测方法。具体技术方案如下：

一种核电工程用六角管的焊接残余应力与变形的预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立六角管的几何模型；

步骤二：利用有限元软件建立六角管焊接瞬态热传导模型；

步骤三：利用坐标变换的方式将全局坐标系的坐标原点变换到每一个圆弧段圆心坐标，并编写六角管移动热源子程序；

步骤四：基于六角管材料温度相关的热物理性能参数利用步骤二中编写的子程序求解焊接温度场历史；

步骤五：利用有限元软件构建六角管静力学模型；

步骤六：将步骤四中仿真求解得到的焊接温度场历史作为热载荷，基于六角管材料的热力学性能参数求解焊接残余应力与残余变形；

进一步的，所述步骤二中的焊接过程的瞬态热传导模型为：

上述式中，ρ、c分别为密度及比热容，T为瞬时温度，t为当前时间，x,y,z为参考坐标系，为空间梯度算子，为热流矢量，为内部的热量生成速率。

进一步的，所述步骤五中的静力学模型是基于顺序热耦合的原理，将瞬态热传导分析改为静力学分析，将单元类型由瞬态热传导的类型修改为静力学的类型。

进一步的，所述步骤六包括将温度场作为热载荷进行焊接结构的弹塑性力学分析，通过弹塑性力学分析得到的总应变率，所诉总应变率包括下面三个部分：式中，为弹性应变速率,为热应变速率,为塑性应变速率。