基于Weld-sta軟件的船體結構焊接變形預測

周 宏, 羅 宇, 李 婧, 張 群

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院,上海 200030) (2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

焊接作為一種靈活高效的連接方式廣泛運用于船舶與海洋工程制造業(yè).焊接過程不均勻的加熱和冷卻、材料的局部非協(xié)調塑性應變以及焊接殘余應力的作用使得船舶與海洋工程結構產生各種焊接變形(如橫向、縱向收縮變形,角變形,彎曲變形和波浪變形)[1].焊接變形的存在不僅造成了焊接結構形狀變異,尺寸精度下降和承載能力降低,而且在工作荷載作用下引起的附加彎矩和應力集中現(xiàn)象是焊接結構早期失效的主要原因,也是造成焊接結構疲勞強度降低的原因之一[2].

要解決船舶與海洋工程結構生產中的焊接變形問題,實現(xiàn)無余量精度制造,提高焊接質量和生產效率,施加反變形量(補償余量)是最佳選擇[3].反變形量(補償余量)的確定必須對結構焊接過程進行準確地模擬,而對于船舶與海洋工程結構,完全的熱彈塑性模擬難于分析各種非線性問題(幾何非線性、材料非線性和狀態(tài)非線性),而且也需要消耗大量的計算時間.

同時由于焊接過程的復雜性,實際建造過程中,大型復雜船體結構(如船體總段船臺合攏)的焊接殘余應力及變形的變化規(guī)律是難以掌握的,常依靠經驗預留焊接收縮量,往往達不到產品的建造精度要求,探索大型復雜船體結構焊接變形預測的新方法和新理論,解決大型復雜船體結構焊接試驗高成本、高風險的難題十分必要.

因此為了確保焊接結構的完整性,有必要建立焊接變形模擬的合理計算方法,而不跟蹤整個焊接過程的熱彈塑性熱力學行為,因此引入了固有應變的概念[4],從而為解決預測大型復雜船體結構的焊接殘余變形的問題提供了可能.

1 Weld-sta介紹

1.1 基本原理

該軟件是建立在固有應變理論基礎上,由上海交通大學結構力學研究所開發(fā).所謂固有應變簡單地可以理解為經過熱循環(huán)后,殘留在物體中的引起物體殘余應力和變形的應變,它是物體產生應力和變形的根源[5].經過一次熱循環(huán)過程后,局部發(fā)生塑性變形后,在結構內部一定存在一個殘余應力和應變的固有應變,如果不追究熱循環(huán)過程,在結構中施加與固有應變相等的初始應變,通過一次彈性板單元有限元分析,來求解整個復雜結構的變形.因此固有應變法避開整個焊接過程,著眼于焊接以后在焊縫和近縫區(qū)存在的固有應變[6].如果能找到固有應變大小和分布與焊接參數(shù)以及焊件尺寸等的關系,那么在有限元分析中,將固有應變參數(shù)作為載荷施加在結構上,僅通過簡單的靜載彈性分析,就可以求解焊接殘余應力和變形,從而大大減少了計算工作量.

1.2 主要功能

1)固有應變的確定

焊縫中的固有應變受眾多因素的影響,如熱輸入量、約束條件及裝配條件等,其中焊縫間隙等裝配條件具有隨機性,計算中難以確定,而約束條件已在邊界條件施加中考慮,因此焊接熱輸入是影響固有應變的主要參數(shù),根據焊接工藝規(guī)范,焊接熱輸入量由板厚決定的.而船體結構的變形主要由于縱向力和橫向收縮的面內變形決定的,為了簡化計算,忽略了引起角變形的固有應變分量[7].通過大量的熱彈塑性計算及實驗實測,得到固有應變計算的簡化公式:

縱向力Tf=0.016KEh2

橫向收縮量δ=0.006Kh

式中:E為彈性模量;h為板厚;K為修正系數(shù),值處于0.6～1.0之間.

2)焊縫的確定

Weld-sta提供了自動尋線和手動添加這兩種方法,同時焊縫具有了其相應信息,包括焊縫等效板厚和焊縫等效面積等信息，也已對其進行設置,可根據實際情況設置每條焊縫的焊接順序.圖1為軟件尋出模型的相交線,圖2為軟件將尋出的相交線添加成焊縫.

圖1 尋到的相交線Fig.1 Found the intersecting lines

圖2 相交線轉為焊縫Fig.2 Changed intersecting lines into weldlines

2 船體雙層底結構焊接變形預測及實驗驗證

2.1 雙層底分段與有限元模型及約束條件

以由內底拼板、縱向結構、肋板、扶強材及外板組成的多用途船雙層底分段為研究模型.根據對稱原則建立有限元模型,四邊形彈性板單元,單元2 108個單元,1 730個節(jié)點.為防止雙層底結構的剛體位移,按照雙層底結構建造工藝特點,建立如圖3的約束.

2.2 雙層底分段焊接變形模擬計算

根據雙層底結構的裝配工藝特點,施加151條焊縫,如圖4.

圖3 雙層底結構有限元模型及約束條件Fig.3 Finite element model of double bottom and constraints model

圖4 有限元模型焊縫施加Fig.4 Weld information of finite element

a)沿船長方向(x方向)

b)沿船寬方向(y方向)

c) 沿z方向圖5 雙層底焊接變形分布云圖Fig.5 Distribution of welding deformation

圖5為雙層底焊接變形分布云圖，從圖中可見,垂向z方向變形量很小.

圖6,7分別為不同裝焊步驟下船長(x)和船寬(y)方向的收縮曲線圖.

從圖6中可見,沿著船長方向,收縮量逐漸增加,最大變形量為13.2 mm.從圖7中可見,沿著船寬方向,最大變形發(fā)生在中縱剖面處為14.5 mm.

實際加工過程中,按照焊接程序施工,實測獲得該雙層底結構裝焊最后一步的位移收縮量與計算值對比如表1,2.

圖6 沿船長方向收縮曲線Fig.6 Shrinkage curves of double bottom structure along the ship length

圖7 沿船寬方向收縮曲線Fig.7 Shrinkage curves of double bottom structure along the ship width表1 雙層底沿船長方向焊接變形量計算結果與實驗數(shù)據對比Table 1 Comparison of shrinkage long length direction between computational results and experimental data

參考點位置(沿船寬方向)/mm8004040647089001133013750計算值/mm14.4312.4711.2110.469.838.91 實測值/mm1312.512121111

表2 雙層底沿船寬方向焊接變形量計算結果與實驗數(shù)據對比Table 2 Comparison of shrinkage long width direction between computational results and experimental data

從表1,2可見,基于Weld-sta軟件的預測值與現(xiàn)場加工的實測值非常吻合,驗證了基于固有應變理論開發(fā)的Weld-sta軟件預測復雜船體結構焊接變形的可靠性.

3 船體總段船臺合攏焊接變形預測

船體總段船臺合攏是船體建造的重要階段,也是決定船體建造質量的重要環(huán)節(jié).而作為現(xiàn)代造船的主流模式的船體的分段模塊化建造模式使得分段合攏中的對接形式從以往的“階梯式”開始往“一刀齊”方式轉變,因此大合攏環(huán)形縫的焊接就顯得尤為重要了.

3.1 建立有限元模型

以6 520TEU集裝箱船為研究對象,該船總長為294.555 m,由于三維幾何模型關于X軸對稱,考慮對稱性和為了節(jié)約計算時間,只取幾何模型對稱部分進行研究分析.根據上述模型簡化原則,在Hypermesh軟件中簡化幾何模型并建立有限元模型.模型共有9 391 個三節(jié)點和四節(jié)點并存的彈性板單元,節(jié)點數(shù)量為6 289點,如圖8.

圖8 有限元模型Fig.8 Finite element model

3.2 模型分組及單元屬性

模型各板單元屬性是按照實際生產情況在商業(yè)軟件Hypermesh中完成定義,然后導入Weld-sta軟件中讀取并應用模型的單元屬性.

3.3 模型焊縫信息

模型共有214條焊縫.圖9為有限元模型焊縫施加圖,模型焊接步數(shù)為14步(即14個環(huán)段),根據固有應變理論中固有應變與板厚的函數(shù)關系,分別輸入板厚值計算出焊縫處的縱向收縮力、橫向收縮和角變形3個參數(shù)值并將其參數(shù)值施加在對應的214條焊縫處.

圖9 有限元模型焊縫施加圖Fig.9 Weldline informations of finite element model

3.4 位移邊界條件

根據模型對稱性和實際裝配時胎架的具體情況,在對稱面上施加節(jié)點Y方向位移為0的約束邊界條件;在縱向船長方向施加節(jié)點X方向位移為0的約束邊界條件;在外板上施加了Z方向的約束,約束的節(jié)點位移為0.如圖10,位移邊界約束條件僅僅為了防止結構產生剛體位移.圖中箭頭代表施加的約束.

圖10 有限元模型約束條件Fig.10 Constraints of finite element model

3.5 計算結果及分析

利用Weld-sta軟件對有限元模型的整體環(huán)形縫的焊接變形進行模擬計算,得到整條船最后焊接變形如圖11,從圖中可見,沿船長方向總收縮變形量為50.339 mm,而實際加工過程中在沒有余量的情況下每個環(huán)段收縮3～5 mm,計算結果與實際基本吻合.

圖11 沿船長方向的焊接變形Fig.11 Welding distortion distribution of Along the ship length

4 結論

基于固有應變理論,開發(fā)了焊接變形預測Weld-sta軟件,對船體結構焊接變形進行了預測,得到以下結論:

1) 通過雙層底焊接變形預測結果與實驗實測數(shù)據對比,驗證了固有應變理論和Weld-sta軟件預測焊接變形的可靠性;

2) 在雙層底焊接變形過程中,沿著船長方向收縮量逐漸增加,最大變形量為13.2 mm.船寬方向最大變形發(fā)生在中縱剖面處,為14.5 mm;

3) 船體總段船臺合攏焊接總收縮變形量為50.339 mm,與實際加工經驗基本吻合,且根據計算結果針對每個總段確定合理的焊接變形收縮量,驗證了固有應變?yōu)榛A的彈性板單元有限元預測法在船體總段合攏焊接中應用的可行性.

參考文獻(References)

[1] 李良碧,萬正權,王自力.高強度鋼開孔耐壓殼焊接殘余應力的數(shù)值模擬[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,2011,25(4): 307-311.

Li Liangbi, Wan Zhengquan, Wang Zili. Numerical simulation of welding residual stresses of high strength steel pressure shell with an opening [J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,2011,25(4): 307-311.(in Chinese)

[2] 周方明,王華杰,趙永昌.等.基于有限元法的底盤結構件焊接變形預測及優(yōu)化[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,2012,26(4): 337-340.

Zhou Fangming, Wang Huajie, Zhao Yongchang, et al. Welding deformation prediction and optimization for chassis components based on finite element analysis method[J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,2012,26(4): 337-340. (in Chinese)

[3] Dean D, Hidekazu M, Wei L. Prediction of welding distortion in a curved plate structure by means of elastic finite element method[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology, 2008,203(18): 252-266.

[4] Luo Y,Deng D A,Jiang X L.Prediction of welding distortion during assembly process of thin plate structures [J].ChinaWelding:EnglishEdition,2005,14(2): 153-157.

[5] Dean D,Hidekazu M,Wei L.Numerical simulation of welding distortion in large structures[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering,2007,196(15):4 613-4627.

[6] 周宏,羅宇,蔣志勇,等.大型船舶結構焊接變形固有應變法預測研究[J].江蘇科技大學學報:自然科學版,2010,24(2): 134-138.

ZhouHong,LuoYu, Jiang Zhiyong,et al. Prediction ofwelding deformation of large complicated structure based on inherent strain methods[J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,2010,24(2): 134-138.(in Chinese)

[7] 李婧,羅宇,陳倩清,等.50 000 t級多用途船貨艙雙層底結構焊接變形預測[J].造船技術,2010,297(5):34-36.

Li Jing,Luo Yu,Chen Qianqing,et al. The prediction of welding deformation of 50 000 t class multi-purpose cargo double bottom structure[J].ShipbuildingTechnology,2010,297(5):34-36. (in Chinese)