基于壳单元的大型船体结构焊接变形模拟研究

摘要

焊接是当前船舶制造领域最为广泛使用的连接手段，由于在焊接过程中工件受热不均，导致焊后工件产生焊接残余应力和变形。使用焊接模拟的方法进行焊接变形及残余应力的预测，对焊接变形及残余应力进行事先评估和优化，有助于提高船舶建造效率与质量。但由于船舶结构尺寸较为庞大，焊缝长度较长，使用有限元方法进行焊接模拟时需耗费大量时间。目前进行焊接过程的模拟主要使用实体单元，使用实体单元进行焊接过程模拟时的计算规模一直比较庞大。船体结构大部分为薄板板壳结构，适合采用壳单元对船体进行分析，计算效率相比实体单元更高。本研究提出基于ANSYS的壳单元焊接过程模拟方法，利用壳单元本身较高的运算效率及划分模型网格时较小的单元数量来降低焊接模拟的运算规模，对于提高大型船舶结构的焊接过程模拟的计算效率有着重要的意义。本研究的主要工作有:
　　首先，针对平板对接问题，分别采用实体单元和壳单元进行建模，使用高斯移动热源对工件进行加载，通过在壳单元当中添加温度中间层，使用顺序耦合方法对工件的焊接过程进行模拟，对壳单元的不同分层使用不同的加载，使得热源沿厚度方向呈梯度变化，实体单元同样采用相同的加载方式。对两种模型的结果进行后处理，对比其的温度场、变形场及应力场的异同情况，并分别与验证性实验的测量结果进行对比，验证壳单元进行焊接模拟的可行性。
　　然后，针对壳单元在焊接过程模拟中的收敛问题，并对影响壳单元收敛的因素进行探讨，分析了模型材料属性中的切线模量及杨氏模量对收敛速度与计算结果的影响关系，并给出相应的最优参考值。研究进一步分析了壳单元的分层技术对对板焊接过程模拟及其变形和残余应力结果上的影响。
　　最后，以某船舶小组立结构为研究对象，研究旁路分流焊接技术对焊后变形及残余应力的影响。使用壳单元对其进行建模，根据旁路分流MIG焊接的电弧特征及电流机理建立旁路分流MIG焊接技术的热源模型，分别对模型施加旁路分流MIG焊接热源和传统MIG焊接热源，计算后对比两种工艺对船舶小组立加筋板结构焊接变形的差异，论证旁路分流MIG技术降低焊接过程热输入对焊接变形的改善作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大型船体结构焊接模拟研究现状

1．2．1 自适应网格技术

1．2．2 固有应变法

1．3 国内外发展现状

1．3．1 国内焊接数值模拟发展及现状

1．3．2 国外焊接数值模拟发展及现状

1．3 大型船体结构焊接模拟研究重点

1．4 本文主要工作

第2章 焊接过程热弹塑性分析

2．1 壳单元热弹塑性有限元理论

2．1．1 非瞬态热传导理论

2．1．2 弹塑性理论

2．1．3 壳单元的输出变量

2．2．4 壳单元的形状检测

2．2 两种热-力耦合方法介绍

2．2．1 顺序耦合法

2．2．2 直接耦合法

2．3 本章小结

第3章 小组立平板焊接变形数值模拟

3．1 小组立平板对接接头焊接模拟

3．1．1 单元类型

3．1．2 网格划分

3．1．3 材料属性

3．1．4 边界条件

3．2 模拟结果分析

3．2．1 温度场分析

3．2．2 应力应变场分析

3．2．3 焊后变形场分析

3．2．4 实验结果验证

3．2．5 计算效率对比

3．3 本章小结

第4章 大型结构壳单元焊接模拟的收敛性研究

4．1 切线模量对壳单元焊接模拟的影响

4．1．1 以往研究中存在的问题

4．1．2 切线模量对壳单元模型计算的影响

4．1．3 高温区域弹性模量对壳单元模型计算的影响

4．2 壳单元分层属性对模拟结果的影响

4．2．1 单层壳单元模型与部分使用壳单元模型结果对比

4．2．2 部分分层壳单元模型与全部分层壳单元模型结果对比

4．3 本章小结

第5章 小组立大型结构旁路分流焊接变形模拟

5．1 船舶小组立实验模型

5．1．1 旁路分流电弧焊接工艺

5．1．2 旁路分流电弧焊接工艺热源模型

5．2 船舶小组立焊接模拟结果

5．2．1 旁路分流电弧焊接工艺结果分析

5．2．2 传统MIG焊接工艺与旁路分流电弧焊接工艺结果对比

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢