一种部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律预测方法

摘要

本发明公开一种部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律预测方法，用于指导船舶部件结构切割连续加工过程的残余应力分析，属于船舶与海洋工程领域。相比传统的部件残余应力分析预测方法，这种方法建立残余应力分布特征量与其影响因素之间的数学关系，获得各影响因素对残余应力分布的定量贡献，更准确、更快速地预报指定工况下的残余应力分布；可操作性强，有助于实现在建造过程中对残余应力和变形的实时调控，对于提高船体结构的安全性与建造精度都具有非常重要的意义。

说明书

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程领域，提供了一种部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律预测方法，用于指导船舶部件结构切割连续加工过程的残余应力分析。

背景技术

船体建设过程中，传统的焊接残余应力分析只考虑焊接工艺引起的残余应力，忽视了切割过程的残余应力，忽视了应力的演变只会得到不符合实际的应力分布，同时传统的分析只关注应力极值，忽视应力分布。当前对切焊耦合残余应力问题的主要研究思路如下：首先计算切割对象经过切割加工后的残余应力分布，然后通过变化切割工艺的工艺参数、构件尺寸或边界约束，分析残余应力随这些影响因素的变化趋势。该研究思路存在以下问题：对于残余应力场，经常用残余应力最大值来衡量整个残余应力场，但是热加工的残余应力最大值往往只与材料的屈服强度有关，受工艺参数、构件尺寸和边界约束等因素的影响很小，因此难以获得残余应力场与这些影响因素之间的实际关系。所以需提出一些可表征残余应力整体分布的特征量来研究残余应力场的变化规律。

分析所得的残余应力场往往只针对特定的工况，一旦工况稍有变化，结论就不再适用。即使通过变换工艺参数，分析了残余应力场随工艺参数的变化规律，但基本上属于定性分析，只能获得随参数变化的残余应力场的变化趋势，缺少定量关系，且不具备预报能力。由于影响残余应力分布的因素非常之多，影响的程度各异或存在交叉影响，因此建立准确有效的残余应力分布与其影响因素之间的数学关系，任务十分艰巨，需要选择合理的影响因素与回归模型，以及大量的实验和数值计算。

发明内容

为解决目前连续加工工艺耦合残余应力难以预测的问题，本发明提出了一种部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律预测方法，从而实现在建造过程中对残余应力和变形的实时调控，对于提高船体结构安全性、提高船体建造精度都具有非常重要的理论意义和应用价值。

本发明采用的技术方案是：在切割对象经切割再进行对接焊的工艺过程中，建立切割与焊接连续加工的热力过程的数值计算模型，通过数值分析及实验的手段分析切焊耦合残余应力的分布规律，得到切割残余应力场与切焊耦合残余应力场，最终分析得到切焊耦合残余应力的产生机理及耦合应力的演变规律。

根据图1所示的预测流程进行部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律的预测，所述方法的步骤包括：

(1)构建切割热源的数学模型，应用热弹塑性有限元法，建立典型切割路径下切割热力过程的数值分析模型，计算切割过程的温度场和残余应力场，分析切割残余应力场的分布特征；

(2)建立基于特征量的切割残余应力参数化表达；

(3)分析焊接特征位置的残余应力场分布规律；

(4)用分段函数表示纵向残余应力沿横向路径的分布规律；

(5)分析切割对象尺寸以及边界约束对高应力区宽度、横剖面所受的拉力的单因素影响规律，建立多元回归方程；

(6)建立影响因素与应力分布量关系的数学模型，即构建在四种约束条件下的多元线性回归模型，并对回归模型的有效性进行了全面检验，若预测值与计算结果差值在10％以内，则预测结果良好；

(7)对切焊连续热力过程数值分析简化计算；

(8)通过步骤7分析切割初应力场对最终耦合残余应力场的影响规律；

(9)预测部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律。

对于上文所述的技术方案中，优选地，步骤(2)所述的特征量分别为：高拉应力区宽度、应力大梯度变化区的宽度、最大拉应力值、最大压应力值、切割边的应力值、自由边的应力值。

对于上文所述的技术方案中，优选地，步骤(3)所述残余应力场包括：切割对象上表面的切割残余应力场、中横剖面上的残余应力场、横向中心线上的残余应力场。

对于上文所述的技术方案中，优选地，步骤(5)所述的切割对象尺寸包括切割长度、切割对象宽度、切割厚度。

对于上文所述的技术方案中，优选地，步骤(6)所述构建在四种约束条件下的多元线性回归模型，包括在高应力区宽度、横剖面所受的拉力二者的对数对切割对象尺寸的倒数的多元线性回归模型。

对于上文所述的技术方案中，优选地，所述步骤(7)的计算包括进行焊接过程的温度场计算，基于切割残余应力分布特征量对其影响因素的回归方程，据切割对象尺寸、边界约束，求得切割残余应力场的应力分布状态，将其作为焊接结构分析时的初应力状态，再进行焊接过程的应力场计算，求得耦合残余应力场。

对于上文所述的技术方案中，优选地，步骤(9)所述的预测部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律，包括：初始残余应力场在焊接过程中的释放、重分布，以及与焊接应力的叠加现象；初始残余应力场在耦合应力演变过程中的作用。

本发明的有益效果是:与现有的造船工艺残余应力预测研究相比，本发明具有以下优点：

(1)现在的焊接残余应力与变形问题，传统的焊接残余应力分析只考虑焊接工艺引起的残余应力，忽视了切割过程的残余应力，忽视了切割应力的演变只会得到不符合实际的应力分布，本发明转变为从全局视角出发，考虑构件内的初始应力状态。

(2)通过提出可表征残余应力整体分布的特征量，解决了残余应力场仅依靠材料屈服强度来衡量，而忽视工艺参数、构件尺寸和边界约束影响的缺陷，建立残余应力分布特征量与其影响因素之间的数学关系，获得各影响因素对残余应力分布的定量贡献。

(3)部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律的整套预测方法的可操作性强，除普通低碳钢的切割、焊接连续加工耦合应力分析之外，其他复杂的船体连续加工过程的应力演变规律也可采用这种方法，通用性较高。

附图说明

图1是本发明提供的部件连续加工工艺耦合残余应力演变规律预测方法流程。

图2是本发明提供的横剖面与横向中心线示意图。

图3是本发明提供的纵向残余应力沿横向路径的分布规律。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

根据图1所示的预测方法流程进行平板构件经切割后再进行对接焊的耦合残余应力预测，主要分为以下几步：

(1)构建切割热源的数学模型，应用热弹塑性有限元法，建立典型切割路径下切割热力过程的数值分析模型，计算切割过程的温度场和残余应力场，分析切割残余应力场的分布特征。

(2)建立基于特征量的切割残余应力参数化表达，六个特征量分别为：高拉应力区宽度、应力大梯度变化区的宽度、最大拉应力值、最大压应力值、切割边的应力值、自由边的应力值。

(3)分析焊接特征位置的残余应力场分布规律，包括：切割对象上表面的切割残余应力场、中横剖面上的残余应力场、横向中心线上的残余应力场，如图2。

(4)用分段函数表示纵向残余应力沿横向路径的分布规律，结果如图3。

(5)分析切割对象尺寸(切割长度、切割对象宽度、切割厚度)以及边界约束对高应力区宽度、横剖面所受的拉力的单因素影响规律，建立多元回归方程。

(6)建立影响因素与应力分布量关系的数学模型，构建不同约束条件下高应力区宽度、横剖面所受的拉力二者的对数对切割对象尺寸的倒数的多元线性回归模型，并对回归模型的有效性进行了检验，若预测值与计算结果差值在10％以内，则预测结果良好。

(7)简化切焊连续热力过程数值计算，计算焊接过程的温度场，基于切割残余应力分布特征量对其影响因素的回归方程，根据切割对象尺寸、边界约束，求得切割残余应力场的应力分布状态，将其作为焊接结构分析时的初应力状态，再进行焊接过程的应力场计算，求得耦合残余应力场。

(8)通过步骤(7)分析切割初应力场对最终耦合残余应力场的影响规律。

(9)预测部件结构连续加工工艺耦合残余应力演变规律，包括初始残余应力场在焊接过程中的释放、重分布及与焊接应力的叠加现象、初始残余应力场在耦合应力演变过程中的作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。