船体典型构件焊接工艺仿真及分段装焊变形预测研究

摘要

焊接是船舶建造的主要加工手段，焊接水平的高低在很大程度上决定了船舶的建造质量和效率。传统的船体焊接工艺设计过程中主要依靠大量的焊接试验和焊接工人的经验，不仅设计效率低、成本高，而且对焊接参数与焊接性能之间的影响关系也很难掌握。同时，在船体分段装焊过程中，焊接变形的存在不仅造成了分段结构尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象也是船舶结构早期失效的主要原因，因此，对焊接变形的预测及控制已成为船舶生产中迫切需要解决的重要课题。针对上述问题，本文提出小构件的热弹塑性法和大分段的固有应变法，以热弹塑性有限元法为基础对船体典型构件的焊接工艺过程进行仿真分析，结合固有应变理论对大型船体分段装焊变形进行仿真预测研究，并通过焊接试验验证仿真结果的可靠性，为实际船体焊接工艺的设计提供理论指导。论文主要研究工作如下：
　　（1）针对传统焊接工艺制定过程需要大量试验以及成本高等问题，提出基于热弹塑性有限元法的船体典型构件焊接工艺数值仿真研究。分析船体典型构件多层多道焊接的温度场、变形和应力场的变化规律，设计与数值模拟相同焊接工艺的焊接试验，分别从焊后变形和残余应力两方面验证仿真结果的可靠性。
　　（2）针对目前焊接工艺参数缺乏有效的优化手段等问题，提出单因素控制法的船体典型构件焊接工艺优化。在对船舶焊接工艺深入分析的基础上，基于热弹塑性有限元法对船体典型构件的焊接工艺过程进行仿真优化计算，得到焊接速度、焊接电流和焊接顺序对焊接温度场、变形和应力场的影响关系，为建立焊接工艺参数数据库奠定了基础。
　　（3）针对大型船体分段装焊工艺仿真及变形预测困难等问题，提出基于固有应变法的大型船体分段整体焊接变形仿真预测研究。通过建立固有应变数据库，实现大尺寸、多焊缝的船体分段整体焊接变形仿真预测。为了获得船体分段的最佳装焊顺序，以整体最小变形量为优化目标，对船体分段装焊顺序进行仿真优化计算，并通过船体分段装焊试验验证了优化结果的可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.2国内外研究现状分析

1.3论文研究内容与组织结构

第2章 面向船体分段的焊接应力与变形数值解析法分析

2.1引言

2.2焊接应力与变形的形成机理分析

2.3焊接热弹塑性法理论分析

2.4焊接固有应变法理论分析

2.5两种仿真方案对比评价

2.6本章小结

第3章 船体典型构件多层多道焊焊接工艺仿真及试验验证

3.1 引言

3.2 船体典型构件的焊接仿真过程分析

3.3焊接仿真结果分析

3.4船体典型构件焊接工艺试验验证

3.5本章小结

第4章 基于单因素法的船体典型构件焊接工艺优化研究

4.1引言

4.2焊接工艺优化仿真方案制定

4.3焊接电流对焊接性能的影响关系分析

4.4焊接速度对焊接性能的影响关系分析

4.5焊接顺序对焊接性能的影响关系分析

4.6 本章小结

第5章 基于固有应变理论的船体分段焊接变形预测及优化研究

5.1引言

5.2船体分段焊接变形数值仿真过程

5.3焊接变形结果分析

5.4船体分段装焊顺序工艺优化

5.5船体分段焊接试验验证

5.6本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术成果及参与的科研项目

致谢