高密度聚乙烯管(HDPE管)具有适度的刚度、良好的柔性、可靠的连接性能和优良的输送性能,因此比其他塑料管材更适用于做燃气管。随着西气东输、城市管网建设等工程项目的进行,聚乙烯燃气管在国内的使用呈快速增长的趋势。燃气输送用高密度聚乙烯管要保证绝对的安全可靠,质量的控制必须非常严格,而其焊接接头性能的可靠性对安全施工及应用有着重要的影响。因此本文开展了高密度聚乙烯管热熔焊接数值模拟研究,这对获得高密度聚乙烯管材焊接接头性能、改进焊接工艺、提高管材的应用安全等均十分有益。论文的研究内容如下:(1)针对热熔焊接工艺特点,并参考CJJ63-2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》,通过ANSYS间接耦合的方法建立高密度聚乙烯管热熔焊接三维有限元模型。模型中考虑了固液相变潜热、管件与空气的对流换热以及粘弹性材料的温度相关性等问题,并将焊接过程分为加热阶段、切换阶段和冷却阶段,其中加热阶段对比解析解、冷却阶段对比试验,验证了有限元仿真温度场结果的准确性,进而研究了焊接过程应力场的分布,本模型能够较为准确地模拟出焊接过程中温度场及应力场的分布。(2)建立了加热阶段的温度场解析模型,其实质是对移动边界传热问题(Nuemann解)的研究,求解建立的数学模型,得到液固两相温度的分布、沿轴向温度关于时间和位置的分布规律、加热时间与熔融层厚度的关系。(3)分析了焊接加热时间、切换时间、加热板温度等工艺参数对温度场分布及熔融层厚度的影响。熔融层厚度会随着加热板温度和加热时间的增加而增加。要想获得相同的熔融层厚度,加热板温度越高,所需要的时间越短。切换阶段,焊件失去热源并与空气发生对流换热,热量流失严重,因此切换时间越短越好。(4)温度场的分析结果显示:加热过程中由于材料导热性能较差,温度由焊接端面向非焊接端面扩散较慢,熔融层厚度约为3mm-4mm。冷却过程中熔融层厚度逐渐变薄,内外表面冷却速度不同,易使融合面局部产生大量微小缩孔、粘结强度不够,焊接接头品质下降。建议在热熔焊接冷却阶段采取措施使管道内外表面降温速率一致,这对焊接接头的品质有着重要的影响。(5)应力场的分析结果显示:加热过程中焊接端面受热膨胀,其膨胀趋势受到附近较冷区域的限制,形成热压缩,产生压应力。瞬时应力最大值出现在管道内表面距离加热端5mm-10mm处。由于材料粘弹性的特点,在冷却过程中,管材边冷却边松弛,最终内应力松弛完毕,不存在残余应力。分析结果对实际焊接过程有着重要的指导意义,给焊接工艺人员在制定焊接工艺参数提供参考依据。