预压应力双金属耐磨复合管异质法兰焊接数值模拟开题报告

全文总字数：4802字

1. 研究目的与意义（文献综述）

双金属复合管是将物理、化学、力学性能差异很大的两种金属实现冶金熔合而制备的一种新型管材，虽然两种材料成分、特性不同，但其性能比单一金属管优越[1]。双金属耐磨复合管是新型耐磨管，作为双金属复合管的一员，它的外基管负责承压和管道刚性支撑的作用，内衬管承担耐磨损的作用。双金属复合耐磨管以钢管为基体，内衬超强耐磨合金材料，通过离心浇铸，形成牢固的冶金结合体。离心浇铸复合管属于冶金结合，成型类型为无缝冶金复合管，其成型原理为: 利用离心作用，分层浇铸不同成分的金属液体，将内外金属的熔合层控制在一定厚度范围内，形成完全的冶金复合管[2]。而弯管采用真空消失模浇注工艺。高铬合金双金属复合弯头既有优异耐磨性、耐高温和耐冲击性能，又具有很也的韧性，抗机械热冲击性能优良，可焊性能好，易安装。特别适合较大颗粒物料的磨损，如河道、港口泥沙疏浚，冶金水渣系统，废井填充、矿山干物料输送等。该产品与其它耐磨管相比，使用寿命长，投资成本经济。当今世界新型能源虽然蓬勃发展，但化石能源依然占世界能源消耗的绝大部分，化石能源资源的运输，污染物的运输也离不开管道。所以双金属复合耐磨管有良好的的应用前景。

法兰是复合管结长并能方便复合管更换的连接部件，采用焊接方法，通过环焊缝将法兰与复合管外层金属连接。但双金属复合耐磨管作为两种金属的冶金结合产物，最薄弱点就是双金属符合截面，而法兰焊接时由于焊接应力的作用容易导致复合管端部双金属界面开裂，影响产品质量及其应用。焊接方法及焊接材料的选择法兰与复合管的焊接为异种钢焊接， 两种母材一般分别为低碳钢和不锈钢，焊接时需要保证焊接接头具有较好的强度和塑性，防止焊接裂纹的产生[3]。对于低碳钢和奥氏体不锈钢之间的导热系数、线胀系数和化学成分存在较大差异，焊接接头的成分和性能变化比较复杂，焊接过程中常会下列问题：焊缝的稀释引起裂纹；熔合区脆性层使塑性和韧性降低；碳的迁移；热应力导致焊缝剥离[4]。双金属耐磨复合管异质法兰焊接存在着种种问题，如何焊好是一个大难题，但若是单纯的依靠实践，费时费力，还会造成大量浪费以及对环境的破坏。若能在实践前通过建立理论模型，用数学的方法可能的减少实验的变量，以最少的实验次数来解决问题，是最好不过了。

但是焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程 ,单纯采用理论方法 , 很难准确解决生产实际问题 ,而要得到一个高质量的焊接结构 ,必须要控制这些因素。近 20 年来 ,随着计算机技术的飞速发展 ,国内外研究者开始用计算机对焊接进行数值模拟研究 ,以此来准确分析焊接中的一些现象。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术有了突破性的发展[5]。焊接时的热应力应变和焊后的残余应力和变形是影响焊接结构质量和工作性能的重要因素。准确地推断焊接过程的动态力学行为,特别是焊后的残余应力和变形是焊接力学中的一个重要课题。汪建华等人探讨了影响三维焊接热弹塑性有限元分析精度和收敛性的因素以及提高求解精度的若干途径。其中主要有保证焊接温度场的准确计算,导入修正的加权系数,高温时材料性能的匹配,网格和步长的正确选取,以及引入缩减积分法防止“闭锁”现象等[6]。赵锐对使用ansys软件分别采用高斯函数分布的热源模型和基于生死单元技术的热源模型对焊接温度场进行了数值模拟计算并进行了结果分析比较[7]，杨瑞等人借助于 ansys 有限元软件的热-结构耦合功能，考虑焊接温度场对应力应变场的单项耦合作用，运用软件的生死单元技术，模拟焊接过程中焊接热源沿着焊缝不断移动的过程，并给出不同焊接速度下焊接温度场的变化规律[8]，蹤雪梅等人发现对于平板对接多层多道焊接数值模拟采用位移约束和弹簧约束混和边界条件，在焊缝最大网格尺寸为 2 mm 时，计算效率和精度匹配效果最佳，有限元计算结果与试验测量结果吻合良好[9]，w.perret等人对分析模型和数值模型焊接温度场计算进行了比较。数值技术更适用于尚未存在分析解决方案的工业复杂应用，而分析模型的计算时间要低得多，所以其研究了两种方法的结合[10]，jerzy winczek对移动体积热源引起的半饱和体瞬态温度场进行了研究[11]。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容

了解双金属耐磨复合管的材料、结构及对法兰焊接的技术要求。建立预压应力双金属耐磨复合管异质法兰焊接的数学模型，利用ansys软件进行数值模拟分析，分析模拟结果，分析项目实施过程中可能存在对人身、环境的安全隐患并提出可行的控制方法，分析本项目影响质量的因素、成本构成、可能存在的风险，并提出相应的控制方法。

研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－5周：建立和完善模型。

第6－11周：模拟计算及分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王冬林,武刚,卫栋,等．碳钢／镍基双金属复合管工艺分析及质量控制［Ｊ］．热加工工艺，2013，42（23）：104-110．

[2]杨专钊,王扬,李安强,等.双金属复合管分类及其特性分析[j].石油管材与仪器,2019,5(01):1-6.

[3]陈浠迪,杜学铭.304不锈钢-cr26双金属预应力复合耐磨管与异质法兰的焊接工艺[j/ol].热加工工艺:1-4[2020-03-11].1001-3814.20190727.