Simulating distribution of temperature fields and stresses in welded joint using ANSYS

Abstract

Прогнозирование напряженно-деформированного состояния трубопровода в зоне сварных соединений имеет важнейшее значение для решения задач по обеспечению его надежной и безопасной эксплуатации. С целью создания систем прогнозирования качества сварных соединений и оптимизации управления сварочным производством в настоящее время широко используется компьютерное моделирование сварочных процессов. При этом по причине существенной сложности указанных процессов их описание математическими зависимостями крайне затруднительно, и распространенной практикой является применение упрощенных моделей, что часто приводит к значительным расхождениям результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными на реальных трубопроводах. Авторами поставлена цель по созданию простой и точной модели распределения тепловых полей и напряжений в сварном соединении, которая может быть применена для каждой марки стали и любой геометрии сварного шва. Для моделирования использовался программный продукт ANSYS Workbench. По результатам был разработан подход, позволяющий создавать достаточно точные цифровые модели распределения тепловых полей и напряжений в зоне сварного соединения без проведения моделирования микроструктурных преобразований, возникающих вследствие фазовых переходов. Верификация цифровой модели показала ее хорошую сходимость с экспериментальными данными - расхождение значений составило не более 2 %. Predicting the stress-strain state of the pipeline in the area of welded joints is of crucial importance for solving the tasks of ensuring its reliable and safe operation. In order to create systems for predicting the quality of welded joints and optimizing the management of welding production, computer modeling of welding processes is currently widely used. At the same time, due to the significant complexity of these processes, their description by mathematical dependencies is extremely difficult, and it is common practice to use simplified models, which, in turn, often leads to significant discrepancies in the calculation results with experimental data obtained on real pipelines. The authors of this article set a goal to create a simple and accurate model of the distribution of thermal fields and stresses in a welded joint, which can be applied to each steel grade and any geometry of the weld. The software product ANSYS Workbench was used for modeling. Based on the results, an approach was developed that allows creating sufficiently accurate digital models of the distribution of thermal fields and stresses in the weld zone without modeling microstructural transformations resulting from phase transitions. Verification of the digital model showed its good convergence with experimental data - the discrepancy in values was no more than 2 %.