大型船體焊接變形仿真技術(shù)研究及其應(yīng)用

王建紅

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院， 遼寧 興城　125000)

船舶工業(yè)是一種綜合性現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)，能夠為海上交通、海洋開發(fā)和國防建設(shè)提供技術(shù)裝備。而在船體焊接過程中，一旦出現(xiàn)受熱和冷卻不均勻、局部材料的不協(xié)調(diào)性應(yīng)變等現(xiàn)象，就會出現(xiàn)焊接變形的問題，降低船舶的承載力。為此，要采用有效的焊接變形技術(shù)，轉(zhuǎn)變現(xiàn)今的造船模式。

1　大型船體焊接變形仿真技術(shù)研究

1.1固有應(yīng)變預(yù)測技術(shù)

固有應(yīng)變是一個比較老的概念，從二十世紀(jì)九十年代被應(yīng)用于熱加工過程的應(yīng)力和變形中，在船體焊接變形的控制等方面取得了進(jìn)展。簡單來說，固有應(yīng)變就是指內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生根源，是在熱循環(huán)之后殘留物引起的殘余應(yīng)力和變形的應(yīng)變。固有應(yīng)變主要存在于焊接的接縫以及附近區(qū)域，對于簡單的船梁或護(hù)板的焊接變形予以用殘余塑變計算，而大型的焊接結(jié)構(gòu)就要使用固有應(yīng)變預(yù)測法積極性解析計算。例如，當(dāng)船體組成部件由于受熱不均勻未能發(fā)生塑性變形，這時固有應(yīng)變ε就是熱應(yīng)變和塑性應(yīng)變的總和，計算公式為：

ε=εp+εT+εX，

(1)

式中：εp為塑性應(yīng)變；εT為熱應(yīng)變；εX為相變應(yīng)變。

焊接變形與固有應(yīng)變的大小和分布有關(guān)，在這其中存在著4個決定性參數(shù)分別為豎向固有應(yīng)變和的Wx，橫向固有應(yīng)變和的Wy，以及分別表示到Wx和Wy的截面中心距離的Z和e。若要預(yù)測焊接變形只需要確定固有應(yīng)變總和和位置即可，最簡單的方法就是把平均的固有應(yīng)變作用于焊接接縫和附近的區(qū)域。

1.2熱彈塑性有限元技術(shù)

熱彈塑性有限元理論法包括傳熱學(xué)理論、溫度場的理論和應(yīng)力理論。其中傳熱學(xué)理論遵循熱力學(xué)第一大定論，有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種熱傳遞方式。溫度場是隨著焊接構(gòu)件的溫度在時間和空間而變化產(chǎn)生的，由于材料會隨著溫度劇烈變化并存在熔化和相變潛熱的問題，屬于非線性瞬間熱傳導(dǎo)。應(yīng)力理論是針對焊接過程中的焊接應(yīng)力和變形，有本構(gòu)關(guān)系、相容性關(guān)系、平衡條件和相應(yīng)性邊界條件4個基本關(guān)系。

熱彈塑性有限元仿真理論綜合以上的3個理論，通過特定的時間對整個焊接過程的焊接溫度進(jìn)行計算，并且可以對每個時間段的應(yīng)力變化增減量精確計算，再通過累積疊加最終算出殘余應(yīng)力和變形。

2　大型船體焊接變形仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1基于固有應(yīng)變預(yù)測技術(shù)的焊接變形應(yīng)用

固有應(yīng)變預(yù)測法的應(yīng)用主要的目的就是提高船舶制造的精確和質(zhì)量，在應(yīng)用的過程中最關(guān)鍵的步驟就是建立和完善船體的固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，并基于這個數(shù)據(jù)庫完成焊接變形計算機(jī)仿真系統(tǒng)的安裝[1]。例如，以一艘60 000 t的多用大型船中的No.4貨艙為例，該貨艙的結(jié)構(gòu)是焊接雙層底且分段，在應(yīng)用的過程中要建立模型，計算焊接變形數(shù)據(jù)，最終通過檢驗對船體的原有固有應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以完善固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。第一步，建立研究對象預(yù)想條件下的船體焊接固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫，然后以這個大型船為建立有限元模型的原型，綜合利用專業(yè)的仿真軟件如WSDP對模型進(jìn)行焊接試驗和計算。第二步，對實際的雙層焊接的分段焊接變形參數(shù)進(jìn)行測量，然后同軟件計算的有限元模型的焊接數(shù)據(jù)對比，若兩者的計算結(jié)果相同則達(dá)到了固有應(yīng)變預(yù)測技術(shù)應(yīng)用的效果，同時也避免了焊接變形問題的出現(xiàn)，設(shè)計流程如圖1所示。

圖1　設(shè)計流程圖

固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫在船體焊接變形中是重要的一個環(huán)節(jié)，利用的軟件主要就是WSDP。同時，由于固有應(yīng)變多出現(xiàn)在焊接接縫會受到諸多因素的影響，所以可以通過大量的計算和分析將固有應(yīng)變的計算公式進(jìn)行簡化。

Tf=0.016KEh2，

(2)

δ=0.006Kh,

(3)

式中：Tf為縱向力，N；K為修正系數(shù)，其值在0.6～1.0之間；h為板厚；E為材料的彈性模量[2]；δ為橫向收縮量，mm。

WSDP軟件是焊接變形預(yù)測的專用軟件，以固有應(yīng)變預(yù)測理論為基礎(chǔ)，利用彈性板有限元計算焊接變形數(shù)據(jù)[3]。例如上一個例子，在建立完固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫后，就要利用這個計算機(jī)仿真軟件對船體的實際結(jié)構(gòu)和需要焊接的部分進(jìn)行變形計算，并在這一模型的仿真變形中不斷地完善焊接工序，提供更有效的預(yù)防變形方法。在對60 000 t的雙層底焊接結(jié)構(gòu)建模時，先要對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，結(jié)構(gòu)中的次要結(jié)構(gòu)要在之前就準(zhǔn)備完成，此外要對形狀復(fù)雜板的飛邊、小角等會影響計算的形狀進(jìn)行簡化。

2.2熱彈塑性有限元技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)以上介紹可以發(fā)現(xiàn)，熱彈塑性有限元理論可以綜合對焊接的全過程進(jìn)行考慮。[4]應(yīng)用熱塑性有限元理論因為只能在大型結(jié)構(gòu)的中部和局部區(qū)域使用又會受到計算機(jī)的計算時間和存儲空間的影響，一般是利用3D板單元熱彈塑性有限元方法完成焊接變形的預(yù)測，其中主要利用的軟件為Abaqus。

比如，以一艘約55 000 t的大型船為例，該船的結(jié)構(gòu)仍然為雙層底的分段結(jié)構(gòu)。具體的應(yīng)用步驟為選擇3D板單元，重新將現(xiàn)有的有限元模型進(jìn)行劃分構(gòu)建新的模型，如圖2所示。然后，使用熱分析軟件進(jìn)行溫度場模擬試驗。先對出入材料的熱屬性以及幾何模型等進(jìn)行輸入和創(chuàng)建，再通過焊接的邊界條件等增加負(fù)荷運算，此后將結(jié)果利用圖形展示。其次，分析焊接應(yīng)力場。[5]本文選取的是間接式的方法，根據(jù)上一個步驟的熱分析結(jié)果，將熱單元改變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)單元并進(jìn)行輸入結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)等前置處理工序，最終求解、處理。最后，按照構(gòu)建的模型進(jìn)行計算和分析。

在焊接的過程中，初始的階段溫度變化區(qū)間較大而時間較短，直到冷卻階段溫度的變化逐漸減小而時間增加。在計算時，要利用高分辨率的處理器綜合整理熱分析、結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)分析結(jié)果，利用公式“Wtime=Wlong/v”進(jìn)行軟件計算，整個計算的時間約為30 h，該船的計算結(jié)果為雙層底結(jié)構(gòu)橫向12.6 mm左右，豎向收縮約14 mm。將這個結(jié)果同預(yù)先的實測結(jié)果進(jìn)行比較可以清楚的發(fā)現(xiàn)，熱彈塑性有限元技術(shù)中的3D板單元法對大型船的復(fù)雜結(jié)構(gòu)計算結(jié)果更準(zhǔn)確和便捷。

3　結(jié)束語

總之，對于大型船體而言焊接變形是一個重要的問題，只有應(yīng)用合理有效的技術(shù)才能確保船舶的安全。本文歸納總結(jié)了兩種焊接變形仿真技術(shù)，并通過相應(yīng)的理論和案例提出了應(yīng)用步驟。