大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，该方法包括：S1、建立大型压力容器局部热处理三维瞬态温度场有限元模型，赋予模型对应的材料属性；S2、按照热处理工艺对电加热板单元进行选区划分建立电加热板组件，获取每个电加热板组件的控温节点的编号以及对应的升温曲线；S3、对模型进行多点重启动设定，建立每个子步保存重启动文件的频率；S4、设置模型的初始对流边界条件；S5、对三维瞬态温度场有限元模型的每一个时间步进行迭代求解，得到局部热处理过程不同时刻的温度场结果。与现有技术相比，本发明专利技术方法准确、合理，大大缩减了实验时间和成本，优化工艺并进而指导实际热处理生产。进而指导实际热处理生产。进而指导实际热处理生产。

【技术实现步骤摘要】
大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法


[0001]本专利技术涉及局部热处理温度场仿真
，尤其是涉及一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法。

技术介绍

[0002]特种设备大型压力容器通过焊接环缝完成组件制造后，接头处将会存在较大的残余应力以及不均匀的微观组织，损害部件的运行可靠性。因此要进行主焊缝的局部热处理来降低接头内部的焊接残余应力。大型压力容器多采用履带式柔性陶瓷电阻加热方式的焊后局部热处理(PWHT)技术。履带式柔性陶瓷电阻加热方式的焊后局部热处理由大量的履带式陶瓷电加热板来完成。加热方式一般采用PID温度控制器按照预设的加热工艺曲线来进行。PID温度控制器通过实时采集电加热板的热电偶温度与理想值的差值以及温差的变化率来进行温度的调控。大型压力容器局部热处理工艺方案(包括热电偶数量、位置、电加热板尺寸等)通常采用试验的方法，代价高且过于耗时，特别是对于大尺寸的大型压力容器多依赖于经验，具有一定的盲目性。因而采用有限元模拟的方法计算大型压力容器热处理过程的温度场，大量的工艺参数筛选工作就可以在计算机上完成，它能够显著地提高效率，降低生产成本。对指导实际生产具有重要的现实意义。
[0003]但是，大型压力容器局部热处理时，无法获取PID温度控制器的实时工作功率，而功率参数却是温度场有限元计算的重要输入参量，且热处理过程的电加热板功率又处于实时变化之中。大型压力容器的局部热处理属于多热源工作系统，内外壁加热区域有近百块电加热板，一个控温热电偶决定一个或多个临近电加热板的工作功率。主要区域和梯度区域控温热电偶合计多达几十个，并且热源之间相互影响(特别是梯度加热区域对于主要加热区域)，因此多热源的不确定性造成了大型压力容器局部热处理温度场模拟计算的困难。同时，目前相关的局部热处理模拟研究也多集中于小尺寸工件的二维截面模拟计算，同时采用单一热源计算的方式，与实际意义的有限元模拟计算指导局部热处理还有很大的差距，无法适用于复杂的多热源控制的大尺寸大型压力容器部件的局部热处理温度场计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现了大型压力容器局部热处理过程温度场的全流程模拟，得到一定工艺条件下的整体温度场的大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，该方法包括：
[0007]S1、在ANSYS APDL平台中建立大型压力容器局部热处理三维瞬态温度场有限元模型，赋予模型对应的材料属性；
[0008]S2、按照热处理工艺对电加热板单元进行选区划分建立电加热板组件，获取每个电加热板组件的控温节点的编号以及对应的升温曲线；
[0009]S3、在ANSYS APDL平台中对模型进行多点重启动设定，建立每个子步保存重启动文件的频率；
[0010]S4、在ANSYS APDL平台中设置模型的初始对流边界条件；
[0011]S5、对三维瞬态温度场有限元模型的每一个时间步进行迭代求解，得到局部热处理过程不同时刻的温度场结果。
[0012]优选地，大型压力容器的热处理采用PID控温的氧化铝陶瓷电加热板对筒体表面进行加热，电加热板外表面覆盖硅酸铝保温层。
[0013]优选地，步骤S1具体为：建立三维瞬态分析全模型，包括了筒体、电加热板以及保温层，实体模型全部为8节点的SOLID70单元，模型的所有自由表面覆盖四节点的SUF152表面效应单元，电加热板以及保温层根据大型压力容器的实际设计进行分布。
[0014]优选地，所述的控温节点对应为控温热电偶，一个控温热电偶控制一块到多块电加热板的生热率，将属于一个控温热电偶控制的电加热板划分为一个电加热板组件。
[0015]优选地，步骤S2具体为：在ANSYS APDL中使用CM命令创建每一块独立电加热板组件，以控温热电偶的空间坐标为依据，采用*GET从整体网格模型上获取对应的电加热板组件的控温节点编号，建立映射关系。
[0016]优选地，步骤S3具体为：对模型使用RESCONTROL命令进行多点重启动设定以获取每一个时间步的重启动文件，用于确保在ANSYS APDL平台计算过程中结果文件的连续性，设定环境温度T
n
(℃)。
[0017]优选地，步骤S4具体为：对所有表面效应单元SUF152施加随温度变化的自然对流系数，如果为对称模型，则对称面采取绝热处理。
[0018]优选地，步骤S5具体为：
[0019]S51、分别对每一个电加热板组件施加初始生热率并进行瞬态温度场计算；
[0020]S52、提取每一个电加热板组件对应的控温节点的实际温度，并计算实际温度与升温曲线中设定温度的差值，采用割线法修正每个电加热板组件的生热率直至每个电加热板组件的实际温度与升温曲线中设定温度的差值小于设定阈值，完成当前时间步的生热率校正，同时获取当前时间步的温度场结果；
[0021]S53、增加时间增量Δt，进入下一个时间步，重复步骤S51、S52得到下一时间步的温度场结果；
[0022]S54、重复S53直至热处理全流程结束，获取热处理全流程过程中大型压力容器的温度场分布结果。
[0023]优选地，割线法修正电加热板组件的生热率的方式为：
[0024]Q
k+1
＝Q
k
‑
Y
k
(Q
k
‑
Q
k
‑1)/(Y
k
‑
Y
k
‑1)
[0025]其中，Q
k+1
、Q
k
、Q
k
‑1分别为第k+1次、k次和k
‑
1次瞬态温度场计算时的电加热板组件的生热率，Y
k
、Y
k
‑1分别为第k次和k
‑
1次瞬态温度场计算后电加热板组件的实际温度与升温曲线中设定温度的差值。
[0026]优选地，步骤S52中生热率校正时，若生热率为负值，则将生热率校正值直接赋值为零并循环迭代校正。
[0027]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0028](1)本专利技术按照实际大型压力容器建立三维全模型，根据其预设的局部热处理的
工艺条件建立基于ANSYS APDL的温度场的方法技术实现了对大尺寸构件的局部热处理温度场模拟，该方法实用性强，可以准确对大型压力容器局部热处理工艺进行温度预测，大大缩减了实验时间和成本，计算结果可以用于工艺优化并进而指导实际热处理生产，对控制局部热处理质量和使用性能提供理论指导和技术支持。
[0029](2)本专利技术方法进行的仿真计算对比大型压力容器局部热处理实验数据，最大温差均在10℃以内，该有限元模型有效、可靠。
附图说明
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，该方法包括：S1、在ANSYS APDL平台中建立大型压力容器局部热处理三维瞬态温度场有限元模型，赋予模型对应的材料属性；S2、按照热处理工艺对电加热板单元进行选区划分建立电加热板组件，获取每个电加热板组件的控温节点的编号以及对应的升温曲线；S3、在ANSYS APDL平台中对模型进行多点重启动设定，建立每个子步保存重启动文件的频率；S4、在ANSYS APDL平台中设置模型的初始对流边界条件；S5、对三维瞬态温度场有限元模型的每一个时间步进行迭代求解，得到局部热处理过程不同时刻的温度场结果。2.根据权利要求1所述的一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，大型压力容器的热处理采用PID控温的氧化铝陶瓷电加热板对筒体表面进行加热，电加热板外表面覆盖硅酸铝保温层。3.根据权利要求1所述的一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，步骤S1具体为：建立三维瞬态分析全模型，包括了筒体、电加热板以及保温层，实体模型全部为8节点的SOLID70单元，模型的所有自由表面覆盖四节点的SUF152表面效应单元，电加热板以及保温层根据大型压力容器的实际设计进行分布。4.根据权利要求1所述的一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，所述的控温节点对应为控温热电偶，一个控温热电偶控制一块到多块电加热板的生热率，将属于一个控温热电偶控制的电加热板划分为一个电加热板组件。5.根据权利要求4所述的一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，步骤S2具体为：在ANSYS APDL中使用CM命令创建每一块独立电加热板组件，以控温热电偶的空间坐标为依据，采用*GET从整体网格模型上获取对应的电加热板组件的控温节点编号，建立映射关系。6.根据权利要求1所述的一种大型压力容器局部热处理过程中温度场有限元仿真方法，其特征在于，步骤S3具体为：对模型使用RESCONTROL命令进行多点重启动设定以获取每一个时间步的重启动文件，用于确保在ANSYS APDL平台计算过程中结果文件的连续性，设定环境温度T
n

【专利技术属性】
技术研发人员：陆皓，王杰，郑义，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：