超大型集裝箱船舷側(cè)結(jié)構(gòu)焊接變形仿真與預(yù)測

CCS上海分社 張 怡

近年來，隨著船舶大型化的發(fā)展趨勢，集裝箱船舶的建造規(guī)模越來越大，針對大型集裝箱船結(jié)構(gòu)安全問題，國際船級社協(xié)會（IACS）成立專項工作組，針對船用高強(qiáng)度特厚鋼板制定了一系列的統(tǒng)一要求，提出超大型集裝箱船在設(shè)計和建造過程中應(yīng)對艙口圍、甲板結(jié)構(gòu)的脆性裂紋止裂性能進(jìn)行校核和確認(rèn)。

為了提高船舶在關(guān)鍵區(qū)域的止裂性能，設(shè)計人員針對這些關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)在建造過程中的裝配精度制定了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，同時由于止裂鋼母材表面缺陷會影響到材料本身止裂性能，因此，在分段合龍階段，很難通過機(jī)械校正的方式糾正分段建造過程中產(chǎn)生的精度誤差，只能通過局部換板解決此類問題，對于船廠而言，不但會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失還會嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，所以，在分段建造階段，控制焊接變形尤其是舷側(cè)特厚板止裂鋼區(qū)域結(jié)構(gòu)的焊接變形，成為了超大型集裝箱船建造過程中非常重要的一項難點工作。

在實際生產(chǎn)中，對止裂鋼區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接變形仿真，可以幫助生產(chǎn)者選擇更為合理的施工流程并識別出施工重點，從而提高船舶在建造過程中的精度控制，在確保船舶建造質(zhì)量的同時，提高船廠的生產(chǎn)效率。

本文以某超大型集裝箱船舷側(cè)結(jié)構(gòu)為例，基于固有應(yīng)變原理，利用Weld_sta軟件對其進(jìn)行分段整體制作焊接變形預(yù)測，分析其整體變形趨勢，為制定現(xiàn)場生產(chǎn)施工注意事項提供理論依據(jù)。

止裂鋼施工工藝難點

止裂鋼是一種新型材料，在國內(nèi)沒有太多成熟的施工經(jīng)驗可以借鑒，其施工主要有以下三個難點：

一是止裂鋼母材的表面缺陷會影響材料的止裂性能，因此，在現(xiàn)場施工過程中，一旦因吊裝碰撞、焊接碰電、過度打磨、夾具的夾印等原因造成母材破壞，則會導(dǎo)致材料報廢；

二是止裂鋼在裝配過程中應(yīng)避免燒焊工裝件的使用，這意味著傳統(tǒng)的馬板裝配將在止裂鋼施工中無法使用，而只能采取定位焊來定位。而對于定位焊的施工工藝以及位置的選取將會直接影響到焊接變形量的大小；

三是止裂鋼藥芯焊絲氣體保護(hù)焊標(biāo)準(zhǔn)裝配間隙為6mm，允許的裝配公差范圍為4～12mm，比常規(guī)裝配間隙4～16mm要求更高。如果在分段階段不能很好地控制建造精度時，在合攏階段一旦出現(xiàn)間隙超差將導(dǎo)致大面積的換板工作。

因此對于大量使用止裂鋼材料的舷側(cè)結(jié)構(gòu)分段而言，如果能夠在分段制造過程中精確控制焊接變形，可以有效提高船廠生產(chǎn)效率。

研究模型介紹

本文主要以某超大型集裝箱船舷側(cè)結(jié)構(gòu)分段CS14P為例，利用Patran對該分段建立有限元模型，模型中所有材料均根據(jù)實際板厚、尺寸進(jìn)行定義，采用直角坐標(biāo)系，X軸為船長方向，自0號肋位向船艏為正；Y軸為船寬方向，自船舯向左舷為正；Z 軸為型深方向，自基線向上為正，采用牛頓、毫米、秒為統(tǒng)一單位制。

圖1 CS14P分段有限元模型Fig.1 Finite Element Model of block CS14P

為了減少計算工作量，在不影響計算精度的基礎(chǔ)上簡化了次要構(gòu)件以及形狀特殊的結(jié)構(gòu)。利用Patran軟件對三維有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四邊形彈性板單元，該模型分別有單元 1273個，節(jié)點1308個。

CS14P分段介紹

CS14P分段整體尺寸為：長（船長方向）15．72m；寬（船寬方向）3．48m；高（型深方向）8．30m。結(jié)構(gòu)的鋼材型號為CCS-EH40-BCA、CCS-EH40、CCS-AH40、CCS-AH32、CCS-A。主要構(gòu)件材料明細(xì)如表1所示。

表1 主要構(gòu)件材料明細(xì)

該分段施工步驟為：以內(nèi)縱壁為基準(zhǔn)面，先安裝強(qiáng)框架、主甲板、二甲板，然后安裝舷側(cè)外板，最后再安裝艙口圍片段，其步驟如圖2所示。

圖2 CS14P施工步驟Fig.2 Assembly process of block CS14P

焊接變形預(yù)測

邊界約束條件：考慮到分段結(jié)構(gòu)在胎架上處于一個相對自由狀態(tài)，對分段結(jié)構(gòu)施加約束比較困難，同時不符合實際情況。因此，本文依據(jù)慣性釋放理論對分段結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真預(yù)測，即不對分段結(jié)構(gòu)施加約束條件，直接計算焊接變形量。

計算結(jié)果：經(jīng)過對CS14P分段結(jié)構(gòu)有限元模型的焊接變形進(jìn)行模擬計算。其中的紅色實線為原始結(jié)構(gòu)有限元模型輪廓線。為了清晰反饋所計算的變形情況，將變形結(jié)果放大50倍，如圖3所示。

圖3 沿X,Z方向焊接變形分布云圖Fig.3 Contour of welding deformation along the X, Z direction

對于分段CS14P而言，由于其鋼板厚度較厚，且主甲板上焊有艙口圍結(jié)構(gòu)，因此，該分段整體建造的焊接變形量較大，尤其是分段上部靠近主甲板區(qū)域，主甲板沿船長方向總收縮量約為43．915mm，沿船寬方向最大的變形量為1．764mm，沿型深方向分段前后兩段的變形量最大，總收縮量為30．235mm。

對業(yè)界的提示

通過仿真研究，可以得出以下三點結(jié)論：

1、從設(shè)計角度而言，結(jié)構(gòu)板材的厚度對于焊接變形有著較大的影響，因此在板縫設(shè)計過程中，應(yīng)合理布置板縫線。同時，對于以薄板焊接為主的結(jié)構(gòu)，分段預(yù)留50mm的余量過于保守。

2、現(xiàn)場建造施工角度而言，在分段階段，應(yīng)特別關(guān)注厚板區(qū)域結(jié)構(gòu)焊接變形的控制，使用正確的焊接工藝，嚴(yán)格遵守操作流程；在分段合攏階段，由于不同位置的焊接變形量不一致，施工人員不能簡單的根據(jù)幾個點的精度切割余量，而應(yīng)綜合整體精度測量的結(jié)果進(jìn)行整體調(diào)整，尤其是分段四角，十字焊縫區(qū)域；關(guān)注厚薄板過渡區(qū)域的裝配精度。

3、從建造后檢驗角度而言，由于分段合攏時，余量切割、坡口打磨均為手工操作，其質(zhì)量和精度控制與機(jī)械加工相差甚遠(yuǎn)，因此在這些區(qū)域存在的焊接質(zhì)量缺陷的概率大幅提升，因此，在后期進(jìn)行無損檢測時，應(yīng)對這些區(qū)域給予關(guān)注。