半潜式起重拆解平台特殊结构的加工工艺力学行为研究

摘要

半潜式起重拆解平台的结构复杂，区别于常规半潜式平台，为非对称结构，具有不同的下浮体和立柱，中间无横撑，仅由上船体连接，从而造成建造难度大，精度要求高。为避免结构应力集中，半潜式起重拆解平台立柱与上船体、立柱与下浮体的连接采用双曲面大弧板结构进行过渡。曲面板光顺度要求高，焊接量大，精度要求高。这些特殊结构是保证平台结构强度和功能实现的基础，也是拆解平台建造的难点。因此，平台连接结构中曲面板的成形以及其中预测焊接变形等工艺对平台特殊结构的建造质量产生巨大的影响。 论文以平台连接结构为研究对象，采用数值模拟方法对单曲板中压模对其成形形状的影响和双曲面板的回弹问题进行仿真计算。基于热弹塑性有限元法和固有变形理论，对平台中的连接结构进行焊接变形预测，并通过优化焊接顺序的方法，控制焊接变形，改善优化当前的平台特殊结构的加工工艺，为实现平台结构的精度制造提供理论依据。 主要研究内容如下： （1）改变单曲率板压模的最大挠度，比较不同挠度压模压制成形的单曲面板的成形形状与目标形状的误差；对双曲面板成形后的回弹问题进行数值模拟计算。在单曲率板材压制成形中，压模的最大挠度要比板材的成形挠度大，但是一次成形的误差较大，不能完全满足实际生产的要求；双曲面板材的成形回弹中，板材边缘部分的回弹量要大于板材中部的回弹量。对于板材的压制成形很难实现一次成形，可以将压模进行改进，采用分步压法，多次压制，使钢板加工成目标形状。 （2）基于热弹塑性有限元法，针对平台中EH36高强钢的平板对接焊进行数值模拟研究，获得平板对接接头残余应力和焊接变形的变化规律。建立四种不同腹板厚度及翼板厚度的T型接头的有限元模型，研究焊接接头中不同厚度的腹板和翼板对焊接残余应力和焊接变形的影响。焊缝及其附近的横向应力、纵向应力均表现为较大的拉应力。纵向应力峰值已经超过材料的屈服强度，材料处于不可恢复的变形状态。对接接头在垂直于焊缝方向上，母材边缘部分上翘，板材中部明显下沉。当腹板和翼板厚度越大时，焊接接头的焊接残余应力越大；当腹板和翼板厚度越大时，焊接接头的焊接变形越小。 （3）在整体结构的焊接中，焊接顺序对结构焊接变形的影响很大，建立整体结构的有限元模型，通过三种焊接顺序的研究，得到从左向右依次完成甲板与横纵构件以及横纵构件之间连接的焊接顺序对于焊接变形的影响最小。所以，优先焊接刚度大的构件，可以很有效的控制焊接变形。开孔降低结构刚度，使焊接变形变大。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 课题国内外研究现状

1.2.1 国内外冷弯回弹的研究现状

1.2.2 国内外焊接变形的预测研究现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 平台特殊结构加工工艺的有限元分析理论基础

2.1 有限元法的介绍

2.2 有限元法在曲面板冷加工领域的应用状况

2.2.1 板料压制成形过程有限元数值模拟的方法

2.2.2 板料压制成形过程有限元分析的特点

2.3板料压制成形回弹问题的数值模拟的相关理论

2.3.1 板料压制成形过程中的应力分析

2.3.2 板料弯曲卸载后的回弹

2.3.3 屈服准则

2.3.4 材料的本构关系

2.3.5 以动态显示算法计算加载过程的原理

2.3.6 卸载过程静态隐式算法求解原理

2.4 平台特殊结构焊接变形预测的理论研究

2.4.1 焊接过程的数值模拟方法

2.4.2 热弹塑性有限元法

2.4.3 固有应变及变形理论

2.5 本章小结

第3章 外板冷加工的数值模拟基础研究

3.1 外板的有限元模型

3.1.1 成形方式及性能参数的设置

3.1.2 有限元模型的建立

3.2 单曲面板计算结果与分析

3.2.1 路径选择

3.2.2 计算结果与分析

3.3 双曲面船体外板的数值模拟研究

3.3.1 有限元模型的建立

3.3.2 路径选择

3.3.3 回弹计算结果与分析

3.4 本章小结

第4章 典型焊接接头的数值模拟分析

4.1 平台中典型对接接头的数值模拟分析

4.1.1 对接接头有限元模型的建立

4.1.2 对接接头计算结果与分析

4.2 四中不同T型接头

4.2.1 四种不同的T型接头的有限元模型

4.3 四种T型接头的应力场的计算与分析

4.3.1 不同腹板厚度的T型接头的应力计算结果与分析

4.3.2 不同翼板厚度的T型接头的应力计算结果与分析

4.4 四种T型接头的焊接变形的计算与分析

4.4.1 不同腹板厚度的T型接头的焊接变形计算结果与分析

4.4.2 不同翼板厚度的T型接头的焊接变形计算结果与分析

4.5 本章小结

第5章 平台特殊结构的焊接变形的数值模拟分析

5.1平台特殊结构的焊接变形研究

5.1.1 平台特殊结构的有限元模型

5.1.2 平台特殊结构的焊接顺序方案设计

5.1.3 不同焊接顺序下平台连接结构焊接变形的预测与分析

5.2考虑开孔对于平台特殊结构焊接变形的影响

5.2.1 结构的有限元模型

5.2.2 考虑开孔对平台特殊结构焊接变形预测的影响

5.3 本章小结

总结与展望

本文主要工作及相关结论

研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢