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原文传递基于固有应变的船体分段焊接变形预测

论文题名：	基于固有应变的船体分段焊接变形预测
关键词：	船体焊接;焊接变形;固有应变;等效载荷;温度场;约束度
摘要：	船体分段在焊接过程中产生的焊接变形会给下一阶段的焊接和装配带来很大的困难，甚至使船体结构强度降低，在分段合拢时，需花大量的时间进行矫正和铲割工作，这必然影响建造进度和经济效益。精确预测和控制焊接变形是现代化造船工艺的要求。本文采用的基于固有应变的等效载荷法适用于船舶等复杂焊接结构，先计算焊接区域的固有应变，固有应变由焊件上各点能达到的最高温度和结构的约束强度决定，再将固有应变转化为等效载荷，进而应用弹性有限元分析求得整个结构的焊接变形。本文所作的具体工作如下： 1、利用杆-弹簧热弹-塑性分析模型，观察了焊接点的固有应变产生过程，对以前需假设固有应变分布形状的方法作了改进，提出固有应变完全由温度分布及约束度变化而决定，这种新方法得到了随位置变化的固有应变分布。 2、不同于以往计算船体焊接温度分布采用经验公式的方法，本文进行了平板堆焊和加筋板角接焊的3维瞬态热传导分析，考虑了材料性能随温度的变化，求出了每一瞬时船体分段的温度场分布及整个焊接过程中各点的最高温度分布，本文的平板堆焊结果与解析解比较(图3.18所示)，精度可靠。加筋板角接焊的结果与C.H.Lee(文献[82])的结果相差3.04﹪。 3、本文结合他人文献[86，87，92]在多种焊接条件下得出的实验结果和单位载荷弹性分析法，得到了由温度变化产生的内部约束和由结构物的刚性及边界条件产生的外部约束。得出了焊接输入热量及各制造阶段的结构物的形状变化与约束度的关系。计算中考虑了焊接点的弹性模量随温度上升而减小。本文计算结果(图4.11a)与参考文献[82](图4.11b)相比，相差分别为2.94﹪，7.14﹪，2.56﹪。 4、对固有应变分布进行积分求出等效载荷，在等效载荷计算中与国外参考文献不同的是横向载荷和纵向载荷都是沿焊缝方向变化的，在不同位置取不同的值，然后对整个结构进行弹性有限元分析求得最终的焊接变形。 5、推导了热弹性问题的基本方程组及其解法——位移法和应力法。又从能量的角度，通过互易定理将复杂的热弹性问题简化成等温热弹性问题。并得到了矩形平板拉伸问题和弯曲问题在简支边界情况下的热应力和热变形解。 6、本文应用有限元软件ANSYS，计算了多个船体模型的焊接变形，其中研究焊接顺序对变形影响的算例的角变形结果与参考文献[85]比较的差别如表6.2，验证了本文方法的正确性。最后分析了双层底分段的制造变形，验证了本文方法在实际船体分段制造中的实用性，证明其可应用于船体分段的精度管理及质量提高。本论文在船体分段设计阶段就可预测分段的最终变形量，因此可用于确定正确的余量。同时，通过对多种制造顺序和焊接条件的模拟，可以得到使变形最小化的作业条件。分析结果表明，本文讨论的方法是一种计算大型复杂结构焊接变形的有良好发展前景的工程实用方法，可应用于研究焊接变形的CAD系统及造船厂的仿真。
作者：	李鸿
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	宋竞正
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文