有限元分析技術的船舶大型復雜結構焊接變形力學分析

摘要：在進行船舶的生產(chǎn)制造時，焊接作為主體結構連接手段，必須具備高強度結構、造價相對較低、高安全性、結構靈活等特點。因此最重要的便是焊接工藝。焊接的施工質量直接關系到船舶的使用壽命以及自身強度，在進行焊接時，因為會產(chǎn)生大量的高溫，因此會導致結構可能發(fā)生彈性或是塑性變形等情況。為了標準化研究船舶大型復雜結構焊接變形，加強焊接質量，本文通過針對有限元分析技術的船舶大型復雜結構焊接技術進行研究，并根據(jù)Ansys軟件進行構建模型。

關鍵詞：焊接;有限元分析;變形力學分析

中圖分類號：U674.7;U671.8?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）10-0072-02

以往的在制造鋼結構時，通常都是采取鉚接工藝以及焊接工藝。其中，鉚接工藝主要運用于對于母材打孔，并利用螺栓和螺母加以鞏固，這種工藝也使的結構整體強度受到了嚴重破壞，降低了結構整體的裝配精度。而焊機工藝卻很好的完善了鉚接工藝需要在母材上打孔的缺點，并且焊接工藝的接頭強度也相對良好，甚者可以與母材自身的強度相比。因此，對于部分水密性或是氣密性較高的結構，通常都是通過焊接工藝進行制造。此外，焊接工藝對于結構自身形狀并不會受到過多的影響，不需要特定的模具且性價比更高。在進行船舶的生產(chǎn)和制造時，需要大量的鋼材例如：甲板、船艙等，優(yōu)良的焊接工藝會直接關系到船舶最后的質量以及船舶的使用年限。但由于焊接過程中會造成的大量高溫，會導致結構件發(fā)生塑性變形和彈性變形，不僅會導致鋼結構的尺寸發(fā)生誤差，還會對鋼材自身的剛度帶來影響。

1?焊接有限元分析理念的研究

有限元分析理念是將繁瑣的大比例有限元計算系統(tǒng)，分解成多個有限個數(shù)的子單元，并構建每個子單元之間的物理傳遞聯(lián)系，然后通過計算每個子單元得出結果，進而演算出大比例有限元計算系統(tǒng)的結果。由于焊接過程中存在眾多的應力、應變以及材料變化等物理問題[1]。只運用傳統(tǒng)的計算方式很難達到預期效果。為此，運用有限元分析可以更為準確的計算出焊接過程中可能會出現(xiàn)的物理變化。由于焊接過程中會產(chǎn)生強烈的溫度差，所以材料的物理性能也會隨時發(fā)生變化。本文在采用有限元技術的繁瑣結構焊接變形進行分析過程中，將焊接過程設為一個具有非線性特征的傳熱過程，建立熱傳導的數(shù)學模型如下：

公式中：Po我們設為材料密度;Co設為母材的比熱容;σ設為材料的導熱系數(shù);Ko設為焊接材料導熱的補償系數(shù)。

通過確定焊接過程的上下限標準，我們可以通過構建焊接過程的模型，以此來做到最大程度的準確分析。由于焊接過程十分繁瑣，本文在構件焊接過程的數(shù)學模型時，主要進行了以下幾點操作：

①為了保證焊接過程熱力學分析的準確程度，本文在構件焊接結構的有限元模型過程中，運用的是三維有限元單元solid185，solid186，此單元可以更為有效的傳遞溫度、應力、應變等，具有比較真實的模型準確度。

②因為焊接過程具備了明顯的非線性特征，所以本文在構件焊接的熱源模型時運用的是瞬態(tài)模型，并且材料的力學性能會隨著溫度的變化而變化，這就確保了模擬分析具備了焊接過程的實際情況。

③焊接過程中錯產(chǎn)生的高溫主要影響應力集中的部分區(qū)域，并且該位置的材料金相組織會隨著應力的變化而變化[2]。

2?基于有限元分析技術的船舶大型復雜結構焊接變形力學分析

2.1焊接熱源模型的設計。一般情況下，船舶的外科、甲板等相對簡單的結構通常運用的都是埋弧焊接方式，而相對復雜的結構通常都是運用電弧焊接方式，本文進行研究的便是電弧焊接方式。在進行鋼結構的電弧焊接時，焊接的熱源主要作用于結構外層，并利用熱傳導的方式將熱量傳導給鋼材的內部結構，這種熱源就是所謂的平面分布熱源，通常情況下，平面分布熱源主要分為高斯平面熱源、橢圓平面熱源等。

2.2船體結構件焊接過程的有限元建模及仿真。本文在針對大型復雜船舶結構焊接變形的力學進行研究時，選取的參考目標為鋼結構的T型焊接接頭，對焊縫位置進行區(qū)域性網(wǎng)格優(yōu)化處理[3]。

3?結語

綜上所述，對于船舶結構而言，其焊接質量具備了非常大作用，研究本文的主要目的就是通過有限元分析與計算系統(tǒng)增加船舶復雜結構的焊接質量，從而進一步加強船舶的制造質量。本文通過構建焊接過程的熱源模型，鑒于有限元分析軟件仿真分析Ansys進行船舶大型復雜結構焊接變形力學分析。

參考文獻：

[1]潘廣善，工自力，李良碧，等.高強鋼焊接結構殘余熱應力的有限元分析[J].船舶工程，2011， 33（3）.

[2]施麗娟，崔維成.船舶結構強度有限元分析的質量控制研究綜述[J].船舶，2002（5）：31-39.

[3]胡廣旭，孟梅，劉冰，等.基于連續(xù)瞬態(tài)計算模型的焊接殘余應力對船體結構強度影響研究（英文）【J】船舶力學，2013}12}：1439-1446

作者簡介：徐海航（1999-）男，漢，浙江杭州，本科在讀，職稱：無，研究方向：焊接工藝。