船体大型结构件焊接变形预测

摘要

船舶工业是为水上交通、海洋开发和国防建设等行业提供技术装备的现代综合性产业。大型船舶结构件体积庞大，一次整体制造困难，国内外的造船厂建造的大型船舶往往将其分成几段或十几段相对较小的结构件分别焊接制造，最后再把各个分段拼装焊接起来。焊接局部不均匀的加热和冷却使得船舶与海洋工程等重要结构件产生各种焊接变形。结构件的焊接变形不仅导致船体焊接和装配的难度加大同时也会造成焊接精度问题，降低结构的承载能力。所以在建造大型船舶的每个分段时需要研究焊接结构件的残余应力和焊接变形问题。
　　为了掌握焊接变形的规律，就应对焊接温度场及焊接过程中的应力变形进行准确的分析。常用的焊接应力变形数值模拟方法有热弹塑性有限元法和固有应变法，热弹塑性计算是典型非线性过程（材料非线性、几何非线性等），矩阵方程奇异性大，计算结果收敛困难需要多次迭代才能达到必要的精度，不适用于大型结构件应力变形预测，故本文采用固有应变法预测大型结构件应力变形。
　　针对大型船体结构件（底板、纵骨和肋板焊接结构），本文选取其中一个典型小结构件（T型接头双边开45°角V形坡口）进行熔化极气体保护焊（MAG）焊接实验，使用盲孔法对典型小结构件（T型接头）进行焊后残余应力实验，并绘制出残余应力分布规律图；建立典型小结构（T型接头）的数学模型，确定材料热物性参数、边界条件、热源模型及约束条件等；使用ANSYS仿真软件进行热弹塑性有限元分析，计算小结构的温度场、应力应变、变形的分布；下一步采用固有应变的有限元分析方法，将小结构热弹塑性有限元计算得到的固有变形转化为固有应变加载到大型结构上，使用大型焊接变形仿真软件预测大型船体结构的焊接变形。
　　研究结果表明：底板与纵骨八条长焊缝焊接后，整个结构件的横向收缩最大值为13.056mm，底板左下端和右上端横向收缩较大。左侧的三根纵骨向右侧横向收缩变形，右侧的三根肋骨向左侧横向收缩变形，中间两根纵骨横向收缩量较小。整个结构件纵向最大收缩量为16.9 mm且底板和纵骨上端的纵向收缩量较下端的大；底板与肋板、肋板与侧板八条长焊缝焊接后，整个大结构件产生纵向收缩，最大收缩量为19.28mm，底板和侧板的两端沿着长度方向向中间收缩变形，底板和肋板分别沿着各自的宽度方向发生横向收缩，横向收缩最大量为6.47mm。计算结果表明，基于固有应变的有限元分析方法能够比较合理地预测大型结构件的焊接变形，使得大型结构件焊接变形情况预测成为可能，对于实际焊接生产有一定的指导作用。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 焊接数值模拟研究现状及发展趋势

1.3 大型结构变形预测现状

1.4 本文研究内容

第2章试验材料与设备

2.1 焊接试验材料

2.2 焊接设备

2.3 焊接试验

2.4 测温试验设备

2.5 残余应力测试设备

2.6 本章小结

第3章 焊接有限元分析理论及有限元模型

3.1 热弹塑性有限元分析理论

3.2 固有应变有限元理论

3.3 有限元模型

3.4 本章小结

第4章 热弹塑性有限元数值模拟

4.1 温度场模拟分析

4.2 焊接应力和变形模拟

4.3本章小结

第5章 固有应变法预测大型结构变形

5.1 T型接头固有应变计算方法

5.2 T型接头典型小结构固有应变计算焊接变形

5.3 船体大结构固有应变计算焊接变形

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢