基于熱彈塑性有限元分析的船舶建造典型熱加工工藝力學(xué)行為研究.pdf

1、船舶建造是個(gè)復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，熱加工工藝伴隨著船舶整個(gè)建造過(guò)程，熱加工工藝力學(xué)行為引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力及變形對(duì)船舶制造質(zhì)量具有重要的影響。而這些力學(xué)問(wèn)題不僅與其它工程領(lǐng)域的力學(xué)問(wèn)題不同，且與設(shè)計(jì)時(shí)考慮的力學(xué)問(wèn)題也不相同，問(wèn)題的性質(zhì)及求解方法都有著其專(zhuān)業(yè)特殊性，解決這些力學(xué)問(wèn)題對(duì)提高工藝水平和建造質(zhì)量具有重要的意義。
　　本文基于熱彈塑性有限元分析法，針對(duì)船舶建造過(guò)程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題：高頻感應(yīng)彎板成型、船體總段船臺(tái)合攏焊接裝配、船

2、體結(jié)構(gòu)背水焊接及高強(qiáng)度大厚度海洋平臺(tái)樁腿板材切割等四個(gè)典型熱加工工藝過(guò)程開(kāi)展了力學(xué)行為研究，從力學(xué)的角度分析建造工藝的科學(xué)性和合理性，進(jìn)而為施工工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持。
　　主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）船體曲面高頻感應(yīng)彎板成型工藝力學(xué)行為研究
　　基于熱彈塑性有限元法，以熱應(yīng)力成型理論為指導(dǎo)，建立了船體曲面高頻感應(yīng)彎板成型的圓形高斯加熱熱源模型，在通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熱源模型可靠性的基礎(chǔ)上，深入研究了船用低

3、碳鋼的熱物理性能（表面換熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及線膨脹系數(shù)）、板材尺寸、板材邊界條件及加工工藝參數(shù)（加熱功率、掃描速度、掃描次數(shù)及掃描路徑等）對(duì)彎板成型的影響，從而為船板成形自動(dòng)化加工提供了數(shù)據(jù)支持。
　?。?）基于固有應(yīng)變理論的船體總段船臺(tái)合攏焊接變形預(yù)測(cè)研究
　　基于固有應(yīng)變理論，深入研究了典型焊接接頭固有應(yīng)變的影響因素，通過(guò)多用途船的雙層底分段焊接變形數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了基于固有應(yīng)變理論的焊接預(yù)測(cè)專(zhuān)用軟件 We

4、ld_sta預(yù)測(cè)大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形的有效性和可靠性，并在此基礎(chǔ)上首次對(duì)大型集裝箱船的船體總段船臺(tái)合攏焊接變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，從而為船體總段合攏時(shí)補(bǔ)償量或反變形的確定提供數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。
　?。?）船體結(jié)構(gòu)背水焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算研究
　　根據(jù)船體結(jié)構(gòu)背水焊接的特點(diǎn)，結(jié)合材料手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)確定了材料的熱物理參數(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，確定了鋼板—水強(qiáng)對(duì)流換熱系數(shù)，解決了背水焊接模擬計(jì)算中的邊

5、界條件和熱源加載問(wèn)題。通過(guò)采用段狀高斯熱源對(duì)背水焊前預(yù)熱的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了焊前多次預(yù)熱的必要性，并在與參考文獻(xiàn)對(duì)比驗(yàn)證平板非背水焊接結(jié)論可靠的基礎(chǔ)上，通過(guò)平板背水堆焊與非背水焊接的對(duì)比，得到了背水堆焊溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律，從而為提出達(dá)到船級(jí)社質(zhì)量要求的工藝方案提供了理論依據(jù)。
　?。?）高強(qiáng)度大厚度海洋平臺(tái)樁腿板材切割工藝力學(xué)行為研究
　　提出了適用于高強(qiáng)度大厚度海洋平臺(tái)樁腿板材切割仿真的熱源模型，利用JMATPRO

6、軟件計(jì)算出NV E690樁腿板材的高溫物理性能參數(shù)，并根據(jù)金屬學(xué)理論和相關(guān)文獻(xiàn)研究成果進(jìn)行了修正，通過(guò)樁腿板材平板直線切割過(guò)程的數(shù)值模擬仿真與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了熱源模型和材料的熱物理性能參數(shù)的可靠性。在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬了齒條板的切割過(guò)程，并以割件表面最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)熱源輸入總能量、切割速度、熱源模型半徑等三個(gè)主要工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)，確保了在齒條板切割過(guò)程中既能夠切透齒條板，又不發(fā)生塌邊現(xiàn)象，優(yōu)化后的