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核电SC结构是一种钢板混凝土结构,是CAP1400核电站屏蔽厂房重要组成部分。焊接引起的应力变形会直接影响到SC结构中钢板的装配精度和服役安全性,准确模拟和测试核电SC结构的焊接残余应力,对评估结构的服役性能和安全性能具有重要的理论意义和工程实用价值。本文以核电SC结构中40mm厚Q345B钢板横焊和立焊两种最典型的焊接接头为研究对象,采用有限元法模拟了核电SC结构两种典型接头的焊接应力及变形情况,并和实际测试结果进行了对比,验证并修正了数值模型,在此基础上,分析研究了对模拟件取样测试过程中,切割方式及尺寸对核电SC结构焊接残余应力的影响。
采用热弹塑性有限元法模拟了两种典型接头的焊接热循环、应力和变形分布,并和实际测试结果进行了比较,结果基本一致,说明建立的有限元模型准确可靠。横焊和立焊两种接头表面应力分布趋势整体一致,在焊缝区域,两种接头的横向应力均存在明显的应力梯度。横焊的纵向峰值应力高于填充金属的室温屈服强度,其纵向和横向峰值应力和立焊相比,均高出约60MPa。
横焊接头的角变形测试值约为12.9°,立焊接头的角变形测试值约为9.8°;随着焊道增加,两种接头的角变形变化趋势不一致;焊接热输入对横焊和立焊两种接头的角变形均有影响,当采用中等大小热输入参数时,对应的角变形反而较大。
在应力数值和分布上,两边对称切割方式受切割尺寸变化的影响小于单边切割,更接近于原尺寸;纵向切割改变了垂直焊缝方向的尺寸,试板横向拘束减小,横向应力显著降低,当横向尺寸大于600mm时,纵向应力保持了和原尺寸相同的应力大小和分布;横向切割改变了沿焊缝方向的尺寸,试板纵向拘束减小,双向切割改变了试板两个方向的尺寸,两个方向的拘束均减小,横向切割和双向切割对应力具有相似的影响规律,其中对横向应力影响较小,对纵向应力影响明显且相邻尺寸之间小试样的应力变化也较为明显,在垂直于焊缝方向的试板中心线上,当纵向尺寸小于600mm时,靠近焊缝区域的纵向应力由原尺寸的拉应力变为压应力。
采用热弹塑性有限元法模拟了两种典型接头的焊接热循环、应力和变形分布,并和实际测试结果进行了比较,结果基本一致,说明建立的有限元模型准确可靠。横焊和立焊两种接头表面应力分布趋势整体一致,在焊缝区域,两种接头的横向应力均存在明显的应力梯度。横焊的纵向峰值应力高于填充金属的室温屈服强度,其纵向和横向峰值应力和立焊相比,均高出约60MPa。
横焊接头的角变形测试值约为12.9°,立焊接头的角变形测试值约为9.8°;随着焊道增加,两种接头的角变形变化趋势不一致;焊接热输入对横焊和立焊两种接头的角变形均有影响,当采用中等大小热输入参数时,对应的角变形反而较大。
在应力数值和分布上,两边对称切割方式受切割尺寸变化的影响小于单边切割,更接近于原尺寸;纵向切割改变了垂直焊缝方向的尺寸,试板横向拘束减小,横向应力显著降低,当横向尺寸大于600mm时,纵向应力保持了和原尺寸相同的应力大小和分布;横向切割改变了沿焊缝方向的尺寸,试板纵向拘束减小,双向切割改变了试板两个方向的尺寸,两个方向的拘束均减小,横向切割和双向切割对应力具有相似的影响规律,其中对横向应力影响较小,对纵向应力影响明显且相邻尺寸之间小试样的应力变化也较为明显,在垂直于焊缝方向的试板中心线上,当纵向尺寸小于600mm时,靠近焊缝区域的纵向应力由原尺寸的拉应力变为压应力。