船用鋼板激光彎曲成形機理及成形規(guī)律的研究.pdf

1、目前造船業(yè)中普遍采用的船體曲面鋼板成形的典型工藝是水火彎板，國外也稱作線加熱。在水火彎板工藝中，要實現(xiàn)對火焰的精確控制是非常困難的，造船廠都是依靠經(jīng)驗豐富的工人采用手工作業(yè)完成。激光彎曲成形是一種金屬板材柔性成形新技術(shù)，這一成形方法以高能激光束作為熱源，利用激光束掃描金屬表面進行局部加熱形成的不均勻熱應力來實現(xiàn)板材的塑性成形。激光能量密度高，可控性好，有利于實現(xiàn)鋼板成形工藝的自動化，在造船領域具有很大的應用潛力。近年來，有限元模擬成為研

2、究板材激光彎曲成形的主要方法。通過對成形過程的數(shù)值模擬研究，能夠全面準確的了解成形過程，從而可深入的分析成形機理和成形規(guī)律。 船體的外板通常用厚度為8~20mm的鋼板采用水火彎板技術(shù)加工而成，雖然有學者進行了船用鋼板的激光彎曲成形實驗，但沒有對船用鋼板的激光彎曲成形機理及成形規(guī)律等進行深入的研究。本文采用數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，利用有限元軟件MSC.Marc對船用鋼板激光彎曲成形過程進行數(shù)值模擬研究，深入分析了船用鋼板激

3、光彎曲成形機理和不同參數(shù)條件下的成形規(guī)律，并建立了預測激光彎曲成形角度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，為激光彎曲成形技術(shù)在造船領域的應用提供理論基礎。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： (1)建立了船用鋼板激光彎曲成形三維熱力耦合有限元模型，模型中考慮了材料熱物性和力學性能隨溫度的變化。模擬計算了成形過程中溫度和彎曲角度的變化，對成形過程中的溫度和彎曲角度進行了實時測量，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，驗證了模型的適用性。 (2)研究了一定工藝參

4、數(shù)條件下的船用鋼板激光彎曲成形機理。通過對船用鋼板激光彎曲成形過程的溫度場、應力應變場和變形場的分析，可知成形過程具有溫度梯度機理的特征。由應變場的分布特點，發(fā)現(xiàn)成形過程也具有增厚機理的特征，由此可知船用鋼板激光彎曲成形機理是溫度梯度機理和增厚機理共同作用的耦合機理。在激光彎曲成形過程中，溫度和應力應變變化最劇烈的區(qū)域在上表面沿激光掃描路徑區(qū)域。成形過程中所產(chǎn)生的翹曲變形、加熱線彎曲及加熱區(qū)域增厚等變形對成形精度的影響很小。 (

5、3)對不同的激光工藝參數(shù)、鋼板幾何參數(shù)和激光掃描路徑條件下的船用鋼板激光彎曲成形規(guī)律進行研究。激光工藝參數(shù)的影響可用能量密度以及吸收能量所用的時間來分析。在限定的溫度條件下，彎曲角度隨激光功率的增大而增大，隨掃描速度和激光光斑的增大而減小。鋼板的幾何參數(shù)中對彎曲成形影響最大的是鋼板厚度，彎曲角度隨厚度的增大而減小。激光束沿相同掃描路徑重復掃描的成形規(guī)律與激光工藝參數(shù)有關，沿不同掃描路徑的彎曲角度受掃描路徑間距影響很小。 (4)基于經(jīng)過實