大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用——50000T多用途船货舱双层底结构焊接变形预测

摘要

焊接是船舶制造最主要的加工手段，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率，而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，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是船舶结构早期失效的主要原因，也是造成船舶结构疲劳强度降低的原因之一。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。
　　对于大型船舶结构，采用传统的热弹塑性理论建立三维实体单元模型来模拟焊接过程需要消耗巨大的计算机资源，目前只适用于焊接接头及较小结构的焊接行为力学分析。将固有应变预测法作为一种近似的手段引入焊接变形的数值模拟，是一种相对快速且有效的预测大型复杂结构焊接变形的方法，同时能够获得有一定准确度的焊接残余应力和变形值，为反变形量（补偿量）的计算提供了有力工具，即将预测所得的有关数据供焊接工艺设计时选择参照，并确定实际生产时的预留变形量，以确保船舶结构的焊接精度和质量，其具有很大的实用价值和发展前景。但值得一提的是，固有应变预测法是建立在固有应变数据库的基础上的，这个数据库是准确预测焊接变形的前提。
　　除了上述的固有应变预测法，采用基于热弹塑性理论的3D板单元方法对大型复杂结构的焊接过程进行有限元模拟也是一种有效地近似计算方法。并且3D板单元热弹塑性有限元法仅需较少的计算时间且在焊接变形量预测上具有较高的精度。
　　本文以生产中的50000T多用途船为研究对象，采用基于固有应变预测法和3D板单元热弹塑性有限元法分别对该船货舱双层底分段进行焊接变形的预测，并将这两种方法的计算结果和实测数据相比较。固有应变预测法首先是通过大量的计算和实测，并在此基础上整理得到一个简化的以板厚为参数的固有应变计算公式，然后基于该公式和经验结果建立了船体结构焊接的固有应变数据库，接着运用基于固有应变法和弹性有限元分析的焊接变形专用预测软件 WSDP对该50000T多用途船的第6货舱双层底1C14P/C/S分段结构的焊接过程进行模拟计算，预测其焊接变形，最后将计算结果与实测数据进行对比。而3D板单元热弹塑性有限元法则尝试采用3D板单元建立有限元模型，考虑板单元的热弹塑性，运用大型商用软件ABAQUS，对同一货舱分段结构的焊接过程进行模拟，并将该计算过程、结果与固有应变预测法的计算过程、结果及实测数据进行比较。
　　研究结果表明，采用固有应变预测法所计算的结果与实测数据具有较好的吻合，这将有利于完善修正固有应变数据库，同时，也进一步验证了该固有应变数据库和简化计算公式的实用性。基于固有应变法的专用焊接软件 WSDP能够较好的实现对大型船体结构焊接变形的预测，为确定焊接补偿余量、实现精度造船提供了有力工具。同样，3D板单元热弹塑性有限元法也能在较短的时间内获得较高精度的结果，为预测大型复杂结构的焊接变形提供了一种新的思路和方法。

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第一章 绪论

1.1 大型船体焊接变形仿真技术研究的意义

1.2 国内外焊接变形预测方法的研究

1.3 国内外焊接数值模拟发展概述

1.4 热弹塑性有限元法和固有应变法的特点及比较

1.5 本课题的研究内容

第二章 数值模拟有限元理论

2.1 焊接热弹塑性有限元理论

2.2 固有应变理论

2.3 本章小结

第三章 基于固有应变理论预测船体双层底焊接变形

3.1计算总体思路

3.2船体结构焊接固有应变数据库

3.3 50000T多用途船及其双层底分段

3.4 WSDP软件介绍

3.5 1C14P/C/S双层底分段有限元模型

3.6 1C14P/C/S双层底分段焊接变形计算

3.7 本章小结

第四章 1C14P/C/S双层底分段焊接实验

4.1 实验的目的

4.2 实验模型及实验条件

4.3 实验结果与计算结果对比分析

4.4 本章小结

第五章 基于热弹塑性有限元理论计算1C14P/C/S双层底分段焊接变形

5.1热弹塑性有限元仿真理论

5.2 基于ABAQUS软件焊接模拟分析

5.3 1C14P/C/S双层底结构热弹塑性焊接过程模拟

5.4 本章小结

第六章 结论与课题展望

6.1 结论

6.2 课题展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文