基于熱彈塑性計(jì)算分析的甲板分段建造反變形值設(shè)置方法

戈 亮， 劉序辰

(1.海軍裝備部 裝備采購(gòu)中心， 北京100071；2.上海船舶工藝研究所， 上海200032)

0 引 言

在船體分段結(jié)構(gòu)建造過程中，在胎架上加放反變形值一直是其建造精度控制的主要手段[1]。以大面積、無梁拱、無脊弧的平面甲板分段為例，在建造時(shí)甲板面反向固定于胎架上，縱、橫向骨材焊接完成后與胎架分離，發(fā)生結(jié)構(gòu)回彈變形[2-3]。工廠控制結(jié)構(gòu)回彈變形的方式通常是在胎架上預(yù)先加放反變形值以抵消回彈變形量，提高甲板建造的平整度。其中，反變形值的設(shè)定通常依靠經(jīng)驗(yàn)來確定，對(duì)于首制船、首只分段，這種反變形值的設(shè)置方式在可靠性、準(zhǔn)確性方面往往會(huì)出現(xiàn)較大偏差，甚至出現(xiàn)反變形值設(shè)置成與結(jié)構(gòu)回彈變形同一方向的情況。

本文采用順序耦合熱彈塑性有限元法[4-5]，對(duì)自由狀態(tài)下的甲板分段焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，整個(gè)過程包含熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)彈塑性力學(xué)分析兩個(gè)步驟：首先，根據(jù)焊接條件確定合理的焊接熱源模型，考慮材料熱物理性能和邊界條件，忽略應(yīng)力場(chǎng)的影響，進(jìn)行焊接過程溫度場(chǎng)分析；然后，將溫度場(chǎng)分析結(jié)果以預(yù)定義溫度載荷的形式施加于結(jié)構(gòu)分析模型上，計(jì)算結(jié)構(gòu)的焊接力學(xué)響應(yīng)，預(yù)報(bào)甲板分段在自由狀態(tài)下的變形及應(yīng)力結(jié)果，以確定反變形值的設(shè)置量，提高其建造平整度，為甲板分段建造的精度控制提供參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型

1.1 有限元模型

本文模擬對(duì)象為典型甲板分段，長(zhǎng)度為20 m，寬度為16 m，甲板上設(shè)有縱、橫向加強(qiáng)骨材。板材采用EH 36鋼，型材采用DH 36鋼。根據(jù)甲板分段結(jié)構(gòu)幾何尺寸，建立有限元模型。在溫度場(chǎng)計(jì)算模型中，焊腳部分采用實(shí)體單元建模，甲板板、縱骨、縱桁及橫梁的腹板和面板等均采用四邊形板殼單元建模。在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，在溫度梯度變化大的焊縫及其附近區(qū)域采用較密的網(wǎng)格劃分，縱向焊縫附近單元尺寸為5.0 mm×23.6 mm，橫向焊縫附近單元尺寸為5.0 mm×22.0 mm，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格劃分，粗細(xì)網(wǎng)格間在保證單元質(zhì)量的前提下逐漸過渡。整個(gè)模型包含645 591個(gè)節(jié)點(diǎn)、527 920個(gè)單元，如圖1所示。在溫度場(chǎng)計(jì)算分析過程中，根據(jù)焊接順序和結(jié)構(gòu)布置等特點(diǎn)，以焊縫中心20 mm處為邊界，將整個(gè)板架劃分為13個(gè)靜態(tài)子結(jié)構(gòu)并行計(jì)算。

圖1 甲板分段有限元模型

結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算分析在甲板板架完整有限元模型上完成，計(jì)算分析模型的網(wǎng)格劃分情況與溫度場(chǎng)模型基本一致，以保證溫度載荷能準(zhǔn)確有效地施加于模型上。

甲板板架EH 36鋼材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等熱物理及力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化的曲線如圖2所示。

圖2 材料熱物理性能

1.2 焊接熱源模型

焊接模擬過程中，熱輸入根據(jù)甲板分段角接頭焊接參數(shù)加以確定，其中焊接電流為220 A，電壓為26 V，焊接速度為34 cm/min，熱輸入效率為0.8。熱流密度分布采用混合熱源模型描述(如圖3所示，即在焊接母材表面施加高斯分布面熱源，在焊腳上施加均勻體熱源，高斯面熱源占總熱輸入的40%，均勻體熱源占總熱輸入的60%。高斯面熱源熱流密度分布為

圖3 混合熱源模型

(1)

式中：r(t)為距熱源中心的距離，mm；ra為熱源半徑，取6mm；t為時(shí)間，s；QG為高斯面熱源總能量。

采用分段移動(dòng)熱源模擬焊接過程的焊槍移動(dòng)情況。對(duì)于縱骨和縱桁等縱向焊縫，在相鄰橫梁構(gòu)件間劃分3段移動(dòng)熱源；對(duì)于橫梁焊縫，在相鄰縱向構(gòu)件間劃分1段移動(dòng)熱源。

2 工況及邊界條件

設(shè)定甲板板架處于自由狀態(tài)，無其他結(jié)構(gòu)與之連接，在計(jì)算時(shí)僅對(duì)模型施加限制其整體位移的邊界條件。邊界條件約束情況為：點(diǎn)1約束其3個(gè)平動(dòng)自由度δx=δy=δz= 0；點(diǎn)2約束其2個(gè)平動(dòng)自由度δy=δz= 0；點(diǎn)3、4約束其1個(gè)平動(dòng)自由度δz= 0。整體板架邊界條件如圖4所示。

圖4 板架邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 焊接溫度場(chǎng)

甲板分段典型T形接頭附近溫度場(chǎng)分布情況如圖5和圖6所示。由于各靜態(tài)子結(jié)構(gòu)焊接溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果相近，故取子結(jié)構(gòu)1為例。由圖5可見，在焊接過程中，熱源中心溫度達(dá)到2 268 ℃，高于材料的熔點(diǎn)，焊接區(qū)域被充分焊透。

圖5 焊接加熱過程中溫度場(chǎng)分布云圖

焊接結(jié)束散熱后子結(jié)構(gòu)1的溫度場(chǎng)分布云圖如圖6所示。由圖6可見，散熱結(jié)束后，子結(jié)構(gòu)最高溫度為22.3℃，接近初始室溫，散熱完畢。

圖6 散熱完成后溫度場(chǎng)分布云圖

選取甲板板上表面焊縫附近5個(gè)點(diǎn)位置，如圖7a)所示，作出該5點(diǎn)在焊接過程中溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖7b)所示。甲板板上表面5個(gè)點(diǎn)從0s開始加熱，5s內(nèi)溫度開始上升。點(diǎn)1位于腹板中面位置，最高溫度約800 ℃左右。點(diǎn)2位于焊縫處，加熱后溫度迅速上升達(dá)到約2 268 ℃，其余各點(diǎn)變化規(guī)律相近。

3.2 焊接變形

圖7 甲板板面板上表面點(diǎn)溫度時(shí)歷曲線

甲板分段無約束自由狀態(tài)焊后面外變形如圖8所示，表現(xiàn)為整體變形與局部變形相疊加的特點(diǎn)，甲板板架整體變形及加強(qiáng)構(gòu)件間板格局部變形均向加強(qiáng)筋一側(cè)凸起。由于縱向構(gòu)件焊縫多于橫梁焊縫，整個(gè)板架縱向彎曲程度比橫向彎曲更為顯著。甲板板架中部拱起變形值為7.57mm，縱向兩端下垂變形值分別為-8.10mm和-0.26mm。

圖8 自由狀態(tài)甲板分段面外變形(比例1∶150)

(1) 整體變形。甲板分段縱桁和橫梁變形云圖如圖9所示，反應(yīng)板架整體變形情況。甲板板架整體變形特點(diǎn)為向加強(qiáng)筋一側(cè)凸起，中部拱起變形值為5.98mm，縱向兩端下垂變形值分別為-6.19mm和-1.02mm。

圖9 主要加強(qiáng)構(gòu)件變形云圖(比例1∶150)

(2) 局部變形。為反映甲板分段的加強(qiáng)構(gòu)件間板格焊接變形情況，選取兩條路徑繪制z方向變形曲線如圖10所示：路徑A為橫向，位于甲板分段中橫剖面；路徑B為縱向，位于中縱桁材一側(cè)的板格中間。

圖10 路徑A、路徑B位置

圖11a)為甲板分段路徑A處z向變形，由于縱向構(gòu)件間距相對(duì)較小為600mm，在甲板縱骨或縱桁間的板格以角變形為主，呈1個(gè)半波的變形特征，變形幅值約為2.21mm。位于左右最外側(cè)1根縱骨以外的板格，由于端部沒有縱向骨材約束，變形值較大，達(dá)4.15mm。僅將縱骨焊完與全部縱橫構(gòu)件焊完后的板格變形差異不明顯，但對(duì)整體變形有較大影響。

圖11 甲板分段z向變形

圖11b)為甲板分段路徑B處z向變形，由于橫梁間距較大，板格角變形只發(fā)生在橫梁兩側(cè)較小范圍內(nèi)，變形幅值約為1.42mm，角變形以外的板格變形平緩。只縱骨焊完后板格角變形主要是由于縱向構(gòu)件焊接使得該板格發(fā)生局部變形，在橫梁位置處受到約束所致，當(dāng)此處橫梁焊接完成后，焊接熱輸入進(jìn)一步加劇該處角變形。

4 反變形值確定

根據(jù)甲板分段自由狀態(tài)焊后變形特征和量值大小，分析確定分段反變形值?？紤]甲板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和建造施工便利性等，甲板分段在橫向施加反變形，以減小整體焊接變形。圖12為選取3條路徑確定甲板板架焊接整體變形值，路徑分別位于不同位置處橫梁與甲板板相交處。

圖12 3條路徑位置

圖13為3條路徑處甲板分段z方向變形。由圖13可見，雖然3條路徑位置不同，但焊接變形情況較為接近，均為分段中部較兩端凸起約5.5mm，該變形值反映甲板分段橫向整體變形大小。

圖13 3條路徑z方向變形曲線

在實(shí)際情況中，甲板分段除了焊接引起的變形外，結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量和甲板上設(shè)備載荷等也會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，并且建造環(huán)節(jié)的裝配間隙和偏差等因素也可能引起一定程度變形。綜合考慮以上因素，甲板分段在胎架上反向建造的反變形設(shè)置為兩側(cè)高于中部10mm。

5 結(jié) 論

(1) 假定甲板分段處于無約束自由狀態(tài)，在給定焊接順序、焊接形式、焊接參數(shù)等輸入條件下，采用順序耦合熱彈塑性方法，對(duì)甲板分段焊接過程進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算得到甲板分段焊接過程和焊接完成后的變形量及殘余應(yīng)力。

(2) 根據(jù)甲板分段自由狀態(tài)焊后變形特征和量值大小，綜合考慮甲板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和建造施工便利性等，甲板分段在橫向施加反變形，分析確定甲板分段在胎架上反向建造的反變形值，以減小整體焊接變形，為甲板分段建造的精度控制提供參考依據(jù)。