船体大型结构装焊连续工艺模拟方法与应用研究

摘要

焊接技术是船舶建造企业的关键工艺之一。船体结构装焊过程中，由焊接热循环引起的焊接残余应力与变形等缺陷不仅影响结构局部强度，也会影响后道工序的装配精度，是船体结构建造精度控制中应考虑的基础问题。目前焊接变形模拟分析多采用直接建立完整结构有限元模型的方式进行分析预测，但在船厂实际生产建造过程中，船体是由零件、部件等依次装配焊接而成的复杂大尺寸结构，且前道工序的焊接变形会对后道工序产生影响。焊接变形模拟分析应按照现场生产装配过程依次添加零部件模型，才能更真实准确的分析船体结构建造过程中其内部缺陷和外部形变的演变，为预测并优化结构变形及其工艺方案、精度管控等提供技术支撑，具有一定的工程应用价值。因此，基于国家科技支撑计划及军民融合项目资助，提出并研究了船体大型结构装焊连续工艺模拟方法及其应用。
　　首先，通过梳理国内外焊接数值模拟方向的研究现状，提出了解决船体结构装焊连续工艺模拟方法，并与传统分析方法进行了对比分析，构建了本文的研究内容和框架。通过对船体结构及其装焊工艺特点、有限元分析技术的研究，探索了连续工艺模拟分析方法数据传递关键技术;针对其数据传递、再造型的要求，应用数据后处理技术对连续工艺模拟有限元模型进行网格重构，以实现变形数据的传递;针对形函数法迭代计算存在的问题，提出并设计了单元分割及比例系数法，将迭代计算转换为直接计算，从而提升了数据传递与映射效率。在此基础上，基于VC++平台，开发了数据映射工具，实现了不同网格模拟数据的映射传递。
　　其次，为提升连续工艺模拟方法在大型船体结构模拟分析中的应用，开展了智能建模技术研究。提出并研究了基于控制组元的船体分段结构装焊六面体网格自动划分技术，设计了基于控制组元的焊缝、连接、过渡组元等，构建了基于知识的网格划分专家系统框架，给出了推理流程，探索了网格划分知识规则及知识表示方法，解决了装焊结构粗细过渡网格的自动划分问题，为实现船体结构焊接连续工艺模拟网格智能划分系统奠定了基础。同时，针对结构装焊连续工艺模拟分析方法中的热源模型加载存在的问题，设计了基于规则的热源模型智能设置系统，实现了热源模型参数的自动校核，解决了因操作经验不足、参数选取不当造成的模拟分析结果不准确的问题。
　　再次，为解决连续工艺模拟方法在船舶实际应用中面临的模拟周期长、工作量大等挑战，通过对模拟工作量的分析预测、结构简化等预先规划以提升该方法的实用性，设计了船体焊接结构网格数量预算和网格密度变迁控制分析方法、船体相似结构特征拆分与网格复制建模及对局部网格数据映射计算方法等，为船体复杂大型焊接结构连续工艺模拟方法的有效应用奠定了基础，同时对典型船体分段结构装焊工艺过程进行了模拟规划。
　　最后，为验证船体结构装焊连续工艺模拟方法的可行性和适用性，在船厂实际生产过程中开展了典型船体结构装焊连续工艺试验与应用。通过现场试验与模拟结果进行对比分析，验证了连续工艺模拟技术的可行性。并通过逐层添加焊层模型的方式成功解决了船体结构装焊常用分析方法——多层多道焊模拟分析中遇到的网格畸变及不收敛问题。
　　综上，通过对船体结构装焊连续工艺模拟方法与应用的探索，为大型船体结构复杂连续工艺模拟的实际应用奠定了基础，使其有利于预测焊接变形等缺陷、预先设计修补工艺、建造实际与计划更切合，从而有利于提升船厂整体建造水平和竞争能力。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状分析

1．2．1焊接变形数值模拟研究现状

1．2．2船体结构装焊工艺模拟研究现状

1．3连续工艺模拟方法

1．3．1连续工艺模拟方法

1．3．2连续工艺模拟方法关键技术及分析流程

1．3．3与传统数值模拟分析方法的对比

1．4主要研究内容及创新点

1．4．1主要研究内容

1．4．2论文主要创新点

第2章连续工艺模拟数据传递方法研究

2．1基于有限元的模拟数据传递过程

2．2基于后处理的网格重构及再造型技术

2．2．1有限元模拟结果数据结构分析

2．2．2基于Marc软件的模拟数据后处理技术及流程

2．2．3网格重构及再造型技术

2．3基于单元分割比例映射的数据映射方法

2．3．1单元应力数据结构

2．3．2形函数数据映射技术

2．3．3单元分割比例系数法

2．3．4基于单元分割比例系数的数据映射法

2．4数据传递与映射软件系统设计

2．4．1软件功能模块

2．4．2数据映射实例

2．5本章小结

第3章船体结构装焊连续工艺模拟智能建模方法研究

3．1控制组元法

3．1．1控制组元法原型

3．1．2控制组元法分析

3．2船体结构焊接模拟网格建模控制组元构建

3．2．1网格组元基本模型

3．2．2角焊缝网格组元

3．2．3连接网格组元

3．2．4过渡网格组元

3．2．5平板网格组元

3．2．6六面体网格控制组元拼接原则

3．2．7六面体网格控制组元控制信息

3．2．8基于控制组元法六面体网格自动划分算法

3．3基于网格组元的船体焊接模拟网格划分智能系统设计

3．3．1系统组成

3．3．2网格划分推理流程

3．3．3网格划分知识表示

3．4船体焊接工艺热源模型参数智能设置

3．4．1热源模型参数表建立

3．4．2双椭球热源模型参数知识

3．4．3热源模型参数智能设置流程

3．5本章小结

第4章船体大型结构装焊连续工艺模拟规划方法研究

4．1大型船体结构网格数量控制技术

4．1．1焊缝网格数量预算

4．1．2工序间网格密度变迁

4．2大型结构连续建模简化技术

4．2．1网格特征结构拆分与网格复制技术

4．2．2局部网格数据映射计算

4．3典型船体大型分段连续建模规划

4．3．1连续建模规划流程

4．3．2典型分段结构连续建模规划

4．4本章小结

第5章典型船体结构装焊连续模拟试验研究

5．1船厂建造现场装焊试验设计

5．1．1船体结构装焊流程

5．1．2现场装焊工艺方法

5．1．3现场装焊测量技术

5．2装焊连续数值模拟建模

5．2．1连续装焊网格建模流程

5．2．2热弹塑性有限元模型

5．3连续工艺模拟结果分析

5．3．1连续装焊过程的装配误差分析

5．3．2船体结构强度薄弱区随装焊过程的动态变迁

5．3．3应力峰值随装焊过程的动态变化

5．4本章小结

第6章连续模拟法在船体多层多道焊模拟中的应用

6．1多层多道焊在船体结构中的应用

6．2多层多道焊连续建模

6．2．1多层多道焊对比试验模型

6．2．2多层多道焊连续建模流程

6．3多层多道焊模拟结果分析

6．3．1模拟分析的收敛性对比

6．3．2多层多道焊残余应力演变

6．3．3多层多道焊纵向残余应力热-力演变机制分析

6．4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢