为了明确数值模拟方法对于焊接残余应力模拟的适用性，研究采用MSC.MARC软件及SYSWELD软件对于厚板多层多道焊接残余应力进行了数值模拟分析。通过相应的有限元模型建立、材料参数确定、边界条件施加、热源模型的参数设定及求解计算，实现了厚板多层多道焊接残余应力的数值模拟。研究结果表明，单元死活技术可以实现焊接过程的模拟分析；焊接横向应力、厚度方向上应力的峰值拉应力均低于屈服应力，而焊缝纵向应力则与屈服应力相当，且主要作用于焊接起始端和终了端；结构焊接后整体的位移不大，小于2mm；MARC与SYSWELD软件模拟的结果比较接近，如图1所示。为进一步进行精细的结构分析打下了基础。

图 1焊接完成后应力场模拟结果：a)MARC结果；b)SYSWELD结果

1.1几何尺寸及焊缝尺寸

基于图纸xxx，筒体外径xxx mm，内径xxx mm，所以模拟时近似采用厚度为xxx mm的板材进行分析。考虑到结构厚度，焊缝纵向设为xxx mm，待焊接的板材宽度设为xxx mm。采用窄间隙埋弧焊工艺，底部钝边高度xxx mm，根部半径xxx mm，坡口面角度1°。由于焊缝最大宽度为xxx mm，所以焊接中采用多层单道焊接，每层焊道熔深在xxx mm之间。总共20道焊缝。焊道填充采用生死单元方法，且采用温度控制技术进行焊道填充。焊接速度xxx mm/s。根据焊接尺寸及焊缝的对称性，选择待焊界面为对称面，对结构的一半进行模拟。为了减少计算量，对模型中的部分细节进行了简化。具体的建模如图2。最终的模型中单元数为10600个。

图 2 网格划分

1.2 材料性能参数

RPV材料为SA508-III（3/4Ni-1/2Mo-Cr-V），所采用材料模型数据来源于ASME BPVC第II卷D篇，而600-1200℃温度数据来自参考文献。其余数据根据收敛性要求设定。

表 1‑1SA508-III物理性能

密度(kg/mm³)	泊松比	温度(℃)	屈服强度MPa	弹性模量Gpa	热膨胀系数(1/℃)	热导率(W/(mm·℃))	比热容 (J/(kg·℃))
7.75×10^-6	0.3	20	483	220	0.0000115	0.041	446
7.75×10^-6	0.3	50			0.0000118	0.0408	459
…	…	…	...	…	…	…	…

钢的表面散热系数选择60W/(m²·℃)。

1.3 边界条件

1.3.1位移边界条件

根据焊接过程与焊后约束释放的不同，定义了不同的边界条件。焊接过程中，在对称面设置了对称边界条件，即焊接过程中约束面上的节点不发生X向位移。具体如图3所示。

图 3对称位移边界条件

焊接过程中，对于距离焊缝中心xxx mm以外的区域采用刚性固定的方式作为其边界条件，以模拟焊接过程中工装夹具的加持作用（图4）。应该说明的是，这种固定方法属于刚性固定，与实际约束之间存在一定差别。不过，目前各领域模拟中，夹具的位移边界条件设置多数采用此方法。焊接完成后，夹具需要释放，焊接接头的变形会发生一定的变化，相应的边界条件则以保证结构不发生刚性位移为条件，具体的设置如图4所示。此时图1中的对称位移边界条件仍然适用。

图4刚性位移边界条件

1.3.2热边界条件

散热边界条件设定室温为20℃。除对称面之外的其他表面均设为散热面（这一设置也会产生一定的误差），如图5所示。

图5散热边界条件

1.4 结果分析

1.4.1温度场

针对焊接过程的温度场进行分析，图6为第9层焊接到一半时刻的温度场。通过单元死活技术实现了焊缝金属的逐步填充，电弧下方温度最高，达到了熔点，由于分析中未考虑层间冷却，可以看出上一道焊接结束的部位仍然具有比较高的温度。由于试件的尺寸比较大，距离焊缝区域较远的位置温度都比较低。图7为此时刻对称面上上一道焊缝上表面的温度分布，从中可以看出电弧部位特定区域内处于熔点温度，而在电弧后方由于传热及冷却温度逐步降低。电弧前方由于此道焊接加热尚未开始，其温度主要是上一道焊接完成残余的温度。且电弧前端直至焊件端部也呈现出一定的温度上升的趋势，这也是上一层焊道焊后传热的结果。全部焊接完成，冷却2h后的温度分布见图8，最高温度已经在50℃左右。