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、船舶建造是個復(fù)雜的生產(chǎn)過程，熱加工工藝伴隨著船舶整個建造過程，熱加工工藝力學(xué)行為引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力及變形對船舶制造質(zhì)量具有重要的影響。而這些力學(xué)問題不僅與其它工程領(lǐng)域的力學(xué)問題不同，且與設(shè)計時考慮的力學(xué)問題也不相同，問題的性質(zhì)及求解方法都有著其專業(yè)特殊性，解決這些力學(xué)問題對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，針對船舶建造過程中的熱點和難點問題：高頻感應(yīng)彎板成型、船體總段船臺合攏焊接裝配、船

2、體結(jié)構(gòu)背水焊接及高強(qiáng)度大厚度海洋平臺樁腿板材切割等四個典型熱加工工藝過程開展了力學(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。
　　主要研究內(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，在通過實驗驗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）對彎板成型的影響，從而為船板成形自動化加工提供了數(shù)據(jù)支持。
　?。?）基于固有應(yīng)變理論的船體總段船臺合攏焊接變形預(yù)測研究
　　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，通過多用途船的雙層底分段焊接變形數(shù)值模擬和實驗實測數(shù)據(jù)對比，驗證了基于固有應(yīng)變理論的焊接預(yù)測專用軟件 We

4、ld_sta預(yù)測大型復(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)上首次對大型集裝箱船的船體總段船臺合攏焊接變形進(jìn)行了預(yù)測，從而為船體總段合攏時補(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)背水焊接溫度場及應(yīng)力應(yīng)變場數(shù)值模擬計算研究
　　根據(jù)船體結(jié)構(gòu)背水焊接的特點，結(jié)合材料手冊及相關(guān)文獻(xiàn)確定了材料的熱物理參數(shù)，通過模擬計算結(jié)果與文獻(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的對比，確定了鋼板—水強(qiáng)對流換熱系數(shù)，解決了背水焊接模擬計算中的邊

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

6、軟件計算出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，通過樁腿板材平板直線切割過程的數(shù)值模擬仿真與實驗實測數(shù)據(jù)的對比驗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程，并以割件表面最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，對熱源輸入總能量、切割速度、熱源模型半徑等三個主要工藝參數(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