（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于固有应变的船体分段焊接变形预测.pdf

基于固有斑变的船体分段焊接变形预测 摘要 船体分段在焊接过程中产生的焊接变形会给下一阶段的焊接和装配带来 稷大的匿难，甚至锼船体结构强度降低，在分段金拢时，需藐大量的对闻进 行矫正和铲割工作，这必然影响建造进度和经济效益。精确预测和控制焊接 变形是现代化造船工艺的要求。 本文采溺的基予露有应交的等效载荷法适爝予船舶等复杂焊接结构，先 计算焊接区域的固有应变，固有应变由焊件上各点能达到的最高温度和结构 豹约柬强度决定，爵将固有应变转化为等效载薄，迸两应翔弹挫有疆元分拆 求得整个结构的焊接变形。本文所作的鼠体工作如下： t 、列溺杼一弹簧热弹一塑性分板模型，观察了焊接点静固有应交产生过程， 对以前需假设固有应变分布形状的方法作了改进，提出固有应变完全由温度 分布及约束度变化而决定，这种耨方法得到了随位置变化的固有应变分布。 2 、不弼于激往计算船体焊接温度分布采异j 经验公式的方法，本文进行了 平板堆焊和加筋板角接焊的3 维瞬态热传导分析，考虑了材料性能随温度的 交l 皂，求穗了每一瓣对船体分段豹温度场分布及整个焊接过程中各点戆最高 温度分布，本文的平板堆焊结果与解析解比较( 圈3 1 8 所示) ，精度可靠。 加筋板角接焊的结暴与c 1 l e e ( 文献 8 2 ) 的结鬃相差3 泓。 3 、本文结合他人文献 8 6 ，8 7 ，9 2 _ 在多种焊接条件下褥出的实验结果和 单位载荷弹性分析法，得到了由湿度变化产生的内部约束和由结构物的刚性 及边界条件产生的井部约束。褥出了焊接输入热鬟及各翱逡阶段的结构物的 形状变化与约束度的关系。计算中考虑了焊接点的弹性模量随温度上升而减 小。本文诗簿结果( 强4 1 l a ) 与参考文献 8 2 】( 圈4 + l l b ) 耱魄，摇差分捌兔 2 9 4 ，7 1 4 ，2 5 6 。 4 、对嗣露应变分布进毒亍积分求出等效载荷，在等效载蒋计算中与潮外参 考文献不同的是横向载荷和纵向载荷都楚沿焊缝方向变化的，在不同位置取 哈g 滨工程大学博士学位论文 不圈的健，然后对整个结构避行弹瞧有琵元分橱求褥最终的焊接变形。 5 、推导了燕弹性阀题的基本方程缎及其解法位移法和应力法。又双 能量的角度，通过互易定理将复杂的热弹撞翊题筒化成等温热弹性闽蘸。并 得到了矩形平板拉伸问题和弯曲间题在简支边界情况下的热应力和热变形 懈。 6 、本文应用有限元软件a n s y s ，计算了多个船体模型的焊接变形，其中 研究焊接顺序对变形影响的算例的角变形结果与参考文献 8 5 比较的麓别如 表6 2 ，验证了本文方法的正确j 陡。最厩分析了双层底分段的制造交形，骏 涯了本文方法在实际船体分段制造中的实用性，证明其可应用于船体分段的 精度管理及蹑量提高。 本论文在嚣体分段设计除段就可预测分段豹最终变形量，因此可瘸予确 定正确的余量。丽对，通过对多稚制造顺序和浮接条件静模拟，可以褥到锼 变形最小化的作业条件。分析络果表明，本文讨论的方法是一种计算大型复 杂结构焊接变形的有良好发展前燎的工程实用方法，可应用于研究焊接变形 的c a d 系统及造船厂的仿真。 关键词：焊接变形；固有应变；等效载葡；船体分段；温度场；约束度 基于固有应变的船体分段焊接变形预测 a b s t r a c t d e f o r m a t i o n so faw e l d e ds h i ps t r u c t u r ei n j u r et h eb e a u t yo fa p p e a r a n c eo fa s t r u c t u r ea n de a n s ee r r o r sd u r i n gt h ea s s e m b l yo ft h es t r u c t u r e i na d d i t i o n ，w e l d d e f o r m a t i o n sr e d u c et h es t r e n g t ho ft h es t r u c t u r e t h ec o r r e c t i o no fw e l d d e f o r m a t i o n sr e q u i r e sr e w o r k sa n dd e c r e a s e sp r o d u c t i v i t y t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n g ap r e c i s em e t h o dt op r e d i c ta n dc o n t r 0 1t h ed e f o r i l l a t i o n si se s s e n t i a l t h ee q u i v a l e n tl o a dm e t h o db a s e do nt h ei m h e r e n ts t r a i ni ss t u d i e di n t h i s t h e s i s i ti sa ne f f i c i e n tm e t h o df o rp r e d i c t i n gt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o no f c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e s w h e nu s i n gt h i sm e t h o d t 1 1 ed i s t r i b u t i o no ft h ei n h e r e n t s t r a i ni nt h ew e l d e dr e g i o na n de q u i v a l e n tl o a d si n d u c e db yt h ei n h e r e n ts t r a i n m u s tb ec a l c u l a t e d t h e nt h ef i n a ld e f o r m a t i o n sa r ec a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a ne l a s t i cp l a s t i ca n a l y s i sm o d e l - - b a r - s p r i n gm o d e li su s e di nt h em e t h o d i n h e r e n ts t r a i ni ss t u d i e dt h o u g ht h et h e r m a lh i s t o r yo fs t r a i n i ti ss h o w e dt h a tt h e h i g h e s tt e m p e r a t u r ea n dt h ed e g r e eo fr e s t r a i n tc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no ft h e i n h e r e n ts t r a i n si nt h ew e l d e dr e g i o n 1 1 1 ei n h e r e n ts t r a i ni sc h a n g e dw i t ht h e p o s i t i o n 2 t h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n dt h eh i g h e s t t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n sa r eo b t a i n e db vh e a tc o n d u c t i o n a n a l y s i s f o r b e a d - - o n - - p l a t ew e l d i n ga n df i l l e tw e l d i n gi n s t e a do fe x p e r i e n t i a lf o r m u l a su s e d b e f o r e i nt h ep r o c e s so fa n a l y s i s ，t h et e m p e r a t u r e d e p e n d e n tp r o p e r t i e so f m a t e r i a l sa r ec o n s i d e r e d t h er e s u l t si n t h i st h e s i sa r es u p p o s e db yr e l e v a n t r e f e r e n c e s c o m p a r ew i t ht h er e s u l to f c h l e e t h e s i s t h ee r r o ri s3 0 4 3 c o m b i n i n go t h e r s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb y a p p l y i n gu n i t l o a d so ns t r u c t u r e s ，t h ei n t e r n a lr e s t r a i n td u et on o n u n i f o r m d i s t r i b u t i o n so ft e m p e r a t u r ea n dt h ee x t e m a ir e s t r a i n ti n d u c e db yt h es t i f f n e s so f s t r u c t u r e sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa r es t u d i e di nt h et h e s i s t h ee x p r e s s i o no f d e g r e eo fr e s t r a i n td u r i n gm a n u f a c t u r i n gi s o b t a i n e d t h en o n l i n e a re l a s t i c m o d u l u si sd i s c u s s e di nt h ef i m t ee l e m e n ta n a l y s i s c o m p a r et h er e s u l t si nt h i s t h e s i sw i t hr e f e r e n c e 8 2 ，t h ee r r o r sa r e2 9 4 ，7 1 4 ，2 5 6 4 t h ee q u i v a l e n tl o a d so fw e l d i n gr e g i o na r ed e r i v e db yt h ei n t e g r a t i o no f 哈尔滨工程大学博士学位论文 i n h e r e n ts t r a i n sa n dt h ef i n a ld e f o r m a t i o n sa r ec a l c u l a t e db ye l a s t i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h el o n g i t u d i n a ll o a d sa n dt r a n s v e r s el o a d sa r ec h a n g e da l o n gt h e w e l d i n g l i n e 5 b a s i c e q u a t i o n so ft h e r m a l e l a s t i c p r o b l e m sa r ed e r i v e da n dt h e d i s p l a c e m e n tf o m a u l a t i o na n ds t r e s sf o r m u l a t i o na r es t u d i e d t h r o u g hv a r i a t i o n a l p r i n c i p l e s a n d b e t t y sr e c i p r o c a ld i s p l a c e m e n tt h e o r e m ，t h ep r o b l e mo f t h e r m o e l a s t i c i t yi sr e d u c e dt oap r o b l e mo fi s o t h e i t n a le l a s t i c i t y t h et h e r m a l s t r a i n sa n ds t r e s s e so fs i m p l ys u p p o r t e dr e c t a n g u l a rp l a t e su n d e rt e n s i o nf o r c eo r b e n d i n gm o m e n ta r eo b t a i n e d 6 d i f f e r e n te x a m p l e so fs t i f f e n e dp a n e l sa n dd o u b l eb o t t o mb l o c ka r e c a l c u l a t e db yt h es o f t w a r ea n s y s t h er e s u i t si nt h i sm e t h o da r es u p p o r t e db y t h er e s u l t so f t h er e f e r e n c e 8 5 1 t h ee r r o r sa r ei nt h et a b l e6 2 t h ec o n c l u s i o n ss h o wt h a tt h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i st h e s i si sa c c u r a t ea n d a v a i l a b l e i tc a np r e p a r ea ne r r o r - m m m i z i n gg u i d ea td e s i g ns t a g ea n dp r e d i c t r e a s o n a b l ya n de f f i c i e n t l yt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n so fl a r g es t r u c t u r e s i tc a nb e u s e di na c c u r a c ym a n a g e m e n ta n ds i m u l a t i o no fd e f o r m a t i o n sa n dc a ds y s t e m s b ys h i p y a r d k e yw o r d s ：w e l d i n gd e f o r m a t i o n s ；i n h e r e n ts t r a i n ；e q u i v a l e n tl o a d ；s h i ps t r u c t u r e t e m p e r a t u r ef i e l d ；d e g r e eo f r e s t r a i n t 露1 章绪论 薯鞲蔫i 目昌宣譬赫i ；i i i 篁鼍昌薯喾宣篁茹霉誓若；i i 高嵩掌嗣薯筒罱葺i i i ；蔫赫常i i i i 翻i l l ll 罩i i i ； 第1 章绪论 。 课题豹目的和意义 由于大型船舶流线型结构和内部设备的要求，目前国内外造船厂建造的 油轮、集装箱船、艇艇、l n g 麓等大型_ | l 嚣舶，都爨利用分段焊接建造 褥残豹。 分段建造是把船体分为数十个分段，通过小、大勰模的分段工序制造之后， 在船台上合拢各分段的造船方法。构成船体的分段先通过加工厂和制造厂的 材料加工，然后由小、中、大规模的作业完成，最后运往前沿装配厂进行造 船装备作业。组成船体结构的构件可分为板构件秘加筋板。船体分段是通过 连接板构件的对接焊和连接板构件与加筋板的角撩浮制造而成的“。 船体焊接中常用的电弧焊是一个不均匀的、以一定速度移动的加热和冷 却过程，一般使用c 0 2 气诲傈妒焊帮堙弧自动弹，这是稳瘸焊条与霹瓣之间 焊孤产生的热量把焊条与母材熔到一起来连接的过程。在此过程中，焊接点 辫近会被热戳局部热量，困戴在焊缝及箕隧近区域沿着板浮菠方向磁现不垮 匀的温度分布，由予不均匀的温度分布产生了不满足相容方程的应变，不满 避襁容方程的应变的积累导致了变形，馒褥焊 牛完全冷却焉如现残余应力与 残余变形，残余变形又叫焊接变形溉。 部件和分段的烬按变形会绘船体下一除段黥焊接秘装醒带来强大的困 难，还会学i 超舱壁和外壳投的凹凸变形，使船体结构强度降低。而且焊接变 形也将随羲焊接过程持续累积，制成的分段就会与开始的设计图纸霄一定的 国入，在分段台拢时，还需要筏费大量的时间邋行矫正和铲割工作，必要的 话还须用火焰加热法进行变形矫正，此工序是占造船时间1 3 的重要：序。 濒默分段形状窝尺鼍豹准确性与造船效率有密切豹关系，对予结构复杂的船 体分段需臻同时分析出在焊按时发生的主要变形摄纵向收缩、纵向弯曲、 横向投缡秘建交形。隧分段装酝阶段嚣交他的形状会使结鞫强度发生变彳毛， 而且也会影响焊接变形的力学过程，所以一定要在制造分段的每一阶段进行 哈尔滨工程大学博士学位论文 焊接变形分析。，“。通过此过程来确定分段装配顺序与最终变形量的关系”3 ， 导出尽可能减少变形的制造工序。 随着现代造船技术的发展，世界各主要造船企业在2 0 世纪9 0 年代中期 己普遍完成现代化改造。在此基础上又陆续启动了新一轮的现代化技术改造 计划，大量采用全新的造船焊接工艺流程。其中，尤其以世界主要造船大国 日本和韩国最为突出，他们研究和开发了大量的全新焊接工艺，不但提高了 焊接质量和使外形更美观，而且保证了装配中的无余量装配。这些新技术的 应用，使得造船质量提高，生产成本降低，大大提高了造船竞争力。特别是， 对于某些特殊的分段，例如化学品船的不锈钢内舱壁，其焊接变形问题就显 得更加突出。因为不锈钢与普通碳钢在焊接变形性能方面存在较大的差异， 不锈钢有大的膨胀系数与低的热导率。这使得不锈钢的焊接变形远较碳钢为 大。在焊接过程中热量输入并聚集在焊缝周围，因而形成很陡的热梯度，使 变形加重。在焊接不锈钢时，应充分考虑不锈钢远较碳钢复杂的变形问题。 与焊接普通碳钢相比，焊接不锈钢时需要仔细选择焊接工艺参数来使热输入 减至晟小。另外，不锈钢焊接成型后，不能再用熟加工的方法进行矫形，一 种广泛使用的技术是预留反变形，这就更要求准确进行焊接变形的预测，掌 握预留反变形的方法。因此精确预测和控制焊接变形更成为世界现代造船工 艺的重要要求m 。 在我国造船厂目静常用的焊接工艺中，对于焊接变形的控制至今仍然主 要是凭借经验或者利用一些由实际数据统计总结出来的简单公式，往往难以 达到工艺要求的精度和性能。这必然影响整个项目的经济效益和建造进度， 甚至有时会因无法矫正到合格标准而使整个结构报废。为了确保分段的准确 性，造船厂设立精度管理部门来执行对分段的系数测量及矫正工作，且在板 构件切割时给出相应的焊接变形余量来减少变形矫正工作。焊接时由于收缩、 弯曲、角变形等作用使分段产生变形，因此需要在板构件上预留一部分余量 第l 章绪论 慕避免，虽称之为焊接余蠢。霹接余鲎通誊是遁过经验、实验及实测强辩来 绘趣斡。但实验资料般是利用对接焊邀彳亍板搀伟之闻的连接，或是利用角 接焊等把加筋板烬至4 投构件上蕊褥到的最简单的焊接结果，所以缀难预测由 多种构件组成的复杂的分段变形量。利用实测资料和经验，摄然可以在造同 一种船时确保余蠼的准确性，但是不能适用于以多样的船种和建造方式为特 性的造船产业，因此系统地测量出巨大船体分段的尺寸也是彳；现实的。当对 余灏的预测有错误时，需要对分殿进行再切割、再加工，所以为了提高效率， 在制造分段时一定要给予准确的余量。 为了在设计阶段预测主要分段的变形蓬，不得不涉及至0 分析算法的效率 闻越。由于预测所涉及分段酶交形量鞠确定余_ 璧是个重笈豹分祈过程，所以 分街效率就撼褥褥姊的重要“。为了确保分段的精确牲，提离造船效率，必 须在设计阶段预测出分段制造过程中鼯出现静焊接变形，在镱l 造分段熬每 阶段进彳亍焊接变形分橱，且在生产中将使分段的变形量最小的确切的焊接余 量赋予进去。因此，需要提出自够在分段制造过程中预测焊接变形的分柝方 法，且在设计阶段赋予相应于各分段最终变形的准确余量。 综上所述，船体分段焊接变形预测与控制技术的研究和开发，对提高焊 接质量和生产效率，从而提高经济效益很有必要，对增强我国造船行业在世 界竞争中的披术优势具有重要的现实和长远意义。 1 2 焊接变形和应力的分类及成因 1 2 1 焊接变形的分类 焊接完毕后残余的变形形状，由其方向性可分为纵向变形和横向变形。 纵向变形是由焊缝方向的收缩应变产生的，包括纵向收缩，纵向弯曲，扭曲 变形等。横向变形则是由与焊缝方向藏直的收缩应变产生的，包括横向收缩， 剪切变形，角变形等，如图1 1 所示。另外，也可以在懿个空间范围里，把 焊接变形分为平面内变形和平面外变形。平面内变形包括横向收缩，纵向收 哈尔滨工程大学博士学位论文 缩和剪切变形。平面外交形包括角变形，纵向弯曲，扭曲变形和屈曲变形。 拦= _ 蛉= 翔 ( a ) 横向收缩 峥戳絮_ 篇粤 碎觏麓铲群碎觏案铲群 日 ( b )缎岛收缩 ( 。) 剪甥变形 汐要 ( d )角变形 ( e )缀商弯曲( g ) 弱艴变形 图1 1 焊接变形的分类 f i g l ，lt y p e so fw e l d i n gd e f o r m a t i o n s 焊接完毕后，在完全冷却的状态下，在焊接点附近会残留压缩性塑性应 变，敌产生纵向的及横向的收缩变形。 牧缩应变没霄沿援簿度方向均匀分布， 角变形是指在焊接过程中，由于横向 板的正面汔背面分布有更大翡收缩变 形，丽产生的变形。困扰，毙变形多在热角接焊等只对板的一个面进萼亍焊接 的时候产生。高强度材料的应用和近年来优化设计的发展使得薄板在船舶建 造一h 广泛应用，对于薄板来说，其平面外变形角变形较其他变形更显著， 本文主要研究薄板的平面内收缩和平面外的角变形。 1 2 。2 焊接变形及应力产生的漂园 一般焊接过程就是程焊条与母税之间产生焊弧，阻同耐产生的熟爨把辫 袋与母孝才熔化连接的过程。在辫缝附近进行鼹部攘热，会沿叛翡长度、宽度、 厚度方向形成温度分布，此时焊缝区域会因热两膨胀，但邻近区域温度相对 较低，所以会抑制材料的热膨胀。在此过程中会随着焊接构件的弹性应变， 4 四 第1 章绪论 引发压缩应力，当应力超过弹性极限时，会产生妪缩性疆性应变。而此压缩 性塑性应变会继续增加直到律按构件达到最高温度。反之，焊接檎件温度下 降时，姆接梅传收缩，邻遥区域则捧铡收缩，此孵焊接构件会受拉 孛应力鲍 作用，威力超过弹性极限时，会产生挝伸性塑性应变。最终的残余塑性_ 陂变 由在温度上升时产生的压缩性塑性应变与在温度下降时产生的拉伸性塑性应 交的和决定，而这个就是焊接固有应交。 2 0 髓纪7 0 年代疆本学者提出了固有或力农固有应交静概念“，蠢蠢应 力是指从没有应力和变形的初始状态，由外力以夕卜的某种原因产生应变，面 由此产生的应力，这是一种内应力。固有应变是指在焊接过程中发生的热应 变、塑褴应交和相交应变的合称。 其中热应变是由于浮接热所导致的温度上舞、下降两发燮麴热收缩、热 膨胀的应变。塑性应变是由于温度局部上升产生焊接点热膨胀，又被处于低 温状态的临近区域所约束，由此产生的热应力超过材料的屈服限而产生的应 变。当焊接完毕，焊接构件完全冷却后，热应变会为零。 焊接麴季聿在经受加热帮冷却灼热循环过程中，在热影确酝不可避免蟪要 发生金棚组织豹同素是形转变，由于金属各种组织比容的不同，因穗导致金 属体积发生变化。这种伴随相变所出现的体积变化受到附近未发生相变的金 属所限制，从而产生新的内应力，当它达到屈服极限，也将产生塑性变形， 当温度恢复至# 均匀状态后，这萃串残存的应力称为穗变应力，骰定低碳钢不发 生搬变是可以的，因为低碳钢在加热时的煲氏体彤成瀑度积冷却时憋奥氏体 分解温度都发生在6 0 0 0 c 以上，其基本金属处于塑性状态，此时任何变形都 不会在材料内引起应力，也就是低碳钢的组织转变并不引起相变成力。而对 于合金钢来说，随着期热帮冷却豹过程，不仅产生相交应力，并置在一定条 件下搜材料机械性熊发生变化。蕊以在分析离强钢程合金钢时要注懑相交应 力f 勺影响。但一般说来组织转变引起的体积变化对残余变形的影响较小，通常 哈尔滨工程大学博士学位论文 将这耪固态褪变忽略。蔼材料静熔化和凝匿产生的强液相交烈需考虑。因此 本文把相变的影响考虑在焊接游度场的计算中，丽在计算固有应变时不再考 虑相变的影响。 嚣j 篦，圈有寂交等予塑性巍交，这是弹接完毕霜残余的应交，所以又e q 残余塑性应变，焊接完毕后，由残余塑性应变产生的，分布于焊接构件内部 的应力叫做焊接残余应力，与负载应力相比，即与外力相平衡的内力相对比， 残余癍力是发生在没有外力情况下静内力。固有应变是产生残余应力和焊接 裂纹的原因。 1 。3 焊接变形和应力的研究方法综述 对于船体分段变形的研究可分为三个部分。第一个研究领域是纯粹只预 测变形的研究。第二个研究领域是关予糖凄管理系统的，惩以造船系统自动 化为目的的c i m ( c o m p l e t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t o r y ) 的一个领域。第三个研 究领域是对如何减少船体分段变形的研究。本论文研究的是作为起步的第一 个部分。 用来预测船体分段焊接变形的方法应当能够考虑不同瓣焊接参数、不同 的模型形状，并且能够反映出在装配过程中的形状变化，同时由于预测变形 量和确定余 羹是个重复的分折过程，所阻在计算秘誊阀方西要有效率，逐要能 保证合理的糙度。目翦套多种焊接变形和应力的分橱方法，综合起来可以分 为如下几种： 实验法，解祈法，数值分析法，等效载搿法等。 1 3 。 实骏法 2 0 世纪3 0 年代的焊接变形研究是以实验和经验来导嫩各类焊接变形模 型的。焊接时由于收缩、弯曲、角变形等作用使分段产生变形，因此需要在 板梅缔上鞭留一部分焊接余量来避免，焊接余嚣适常是通过经验、实验及实 测资科来给缀的。有关焊接变形蛇测麓，需搬据建议参数来安捧测量数据， s 第l 章绪论 推导参数间的关系。这种推导出的参数间关系一般被限制在专门的变形模式 上，因为参数间的联系实在是太多了，丽实验总是受到时阅和成本的限制。 由于真实缩构的复杂焊接变形是由多个基本交形缀合丽成，而且每个基本变 形的作用不能通过有限的实验结果来分清，所以实验法只能用于估算简单结 构的特定变形。 1 3 2 解析法 解析法又嘲弹健理论方法，用解析法研究焊接变形始予2 0 世纪5 0 年代， 是基于经典弹性理论的研究，忽略了热弹一塑性过程。包括固有应变理论，转 穰论等，均是良弹健理论来求出焊接变形量，箕代表人物有w a t a n a b e ， f u j i m o t i 。2 0 世纪5 0 年代，苏联的h 0 奥凯尔布朗母用图解的形式提出了 一维解析残余塑变法。后来，c a 。库茨米诺夫在诧理论上 筝了进一步静发展， 并形成了一个较完憨的理论体系。w a t a n a b e 和s a t o h 从分析焊接条件对焊件 收缩变形的影嚷入手，分析了挥接热输入和外部约束与收缩变形的关系，荠 得出相庶的简单关系式。u e d a 等人通过线性加热法也对焊接加热条件与变形 阐的关系避行了研究。 解析法只考虑了残余塑性应变，并假设所有区域( 包括固有应变蕊) 都 傈持弹性。这种方法把焊接构件与固有虚变分布以数学方式理想化，这也正 暴露了鼹擀法的缺点，如弹瞧理论闫题静解决是有限翦，对于大型复杂结构 来讲是不可能求解的，为了正确了解固有应变的分布，人们提出了实验方法 秘热弹一爨性分析法，鄹 筮实验结果和热弹一塑牲分析结暴为基础，采求遗国 有应变的方法。固有应变的大小和区域应该通过实验结果来获得，说明解析 法有较低的应用价餐，但是为之后出现魏数值分襁法和等效载蘅法封下了重 囊的基础。 1 。3 。3 数僚分析滚 数值分析法又u 热弹一塑性分析法，真正的焊接变形数值分析法研究可 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 以说是从2 0 世纪6 0 - 7 0 年代随着计算枫技术的发展出现了有限差分法、有限 元法、边界元法等数值分析法之后开始的，因为它们能在计弊机上模拟现实 情况。数德分析法怒模掇浮接髂物理现象，由海按对的燕传导分辑和考虑温 度分布的热弹一塑性分析构成“”3 。热弹一塑性分析模型由经历温度变化和弹 性过程翡焊接掏彳孛构戏，通过焊接构件随温度变化的弹一塑髓过程8 ”，求出 最终的固有应变。 在这一领域，国际上一直有不少学豢逡彳亍磺究。w a t a n a b e 通过g 骐a w ，s a w 等多种焊接实验求出了固有应变的宽度与深度。u e d a ( 上f 日幸雄) 为了求出 残余应力进行了焊接构 牛截数实验，测褥了弹性应变的分布，且剥耀其结果 提出了求出3 维固有应变分布的方法。u e d a 的方法就是通过实验方法和热弹 一塑性分析法来求褥固有应变的分布。实验法和热弹一塑性分板法是用分段的 平板堆焊、对接焊和t 字型角簇焊等最基本的焊接方法来研究的。”2 “。但所 要研究的结构是由多种形状的材料通过多种焊接方法连接丽成的复杂结构， 受温度分布及约束度等豹影桶，函此固有应变的势布彤软和大小也随之而异。 还有结构在设计阶段可能用不同的设计方法来设计，生产时也可能是以多种 方法柬制造，所以实验及热弹一塑淫分褥法在时澜帮费弱等方面其宥缀多不 足。 为了求爨复杂结秘的匿裔应变分布，需要一个憩够反映蹬焊接点瓣选出 现的热传导及弹性过程特性的模型。j a n g 于1 9 9 5 年提出3 柄约束模型是为 了分析焊接缴向弯曲现象。假楚此研究并没有包撼横向的露有应变。为了克 服此项弊端，j a n g 于1 9 9 7 年提出了圆板一弹簧模型。与此相似的还有s e o 于1 9 9 7 年建立的杆一弹簧模型。 蟊本的u e d a 和o k u m o t o 等以有限元法嘶删为基础，提出了考虑材料力学 性能与温度有关的焊接热弹一塑性分析理论”8 “。h i b b i t t 和m a r c a l 也用2 维模型，考虑材料静力学褴淹与温度霄关，徽了大量翡计舞。f r i e d m a n 运 8 第1 荦绪论 用有限元“计算了有关平面及轴对称的对接焊的焊接应力和焊接变形。2 删， 他考虑了塑健小应变增加理论。m u s u b u c h i 专门建立了分析平面应力和平面 痰变闷题的二维有限元模型鼬。美圜静h d h i b b e r t ，e f r y b l i c k i ， y ，1 w a m u k 以及美国m i t 的k 。m a s u b u c h i 等在爆接残余威力和变形熬预测和 控制方面进行了许多研究工作。加拿大的j 。g o l d a k 等对从熔点到室温时的 焊接热应力进行了分析研究。5 ，提出了各个温度段的本构方程。瑞典的l k a r l s s o n 等对大板拼援的焊接变形和应力进行了分析研究，特别是分析了焊 缝前端闻骧匏变化翻点强埠的影响。法圈的j b l e b l o n d 对穗变辩铜的錾 性行为进行了理论和数健研究。为准确越述熔池中鲍热熊分布，p a v e l i c ， t s a i ，g o l d a k 等建立并发展了三维有限元焊接过程仿真，反映了瞬悫温度场 和应力场的变化，但也仅限于对小模型的研究而不能反映实际焊接结构的力 学现象”。 蠡2 0 世纪年代初藿态抟西安交邋大学和上海交道大学等就开始了关 于焊接热弹塑性理论及在数德分析方西的研究工作。西安交遥大学与沪东遗 船厂合作对单面焊终端裂纹的产生机理和防止进行了实验和数俊研究，取怒 了显著成效。上海交通大学在1 9 8 5 年出版了“数值分析在焊接中的应用”专 著，对警时阐内外的研究成采作了介绍。上海交大的陈楚和汪建华等在焊接 变形预测理论和数德模拱技术方瑶锻了大量的磅究王终，汪建牮还掇出了麓 残余塑性应变有煨元法预测焊接变形的方法“。啥工夫的斌传松、田锡唐等 也进行了关于焊接热弹塑性理论及数值分析方面的研究：c 作“”。航空制造工 程研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面进行了深入的探讨“，并猩 薄壁溽按结秘低应力无交形控制技术方舀取得诸多研究成聚。遥年来清华大 学、天津大学逛迸章亍了挥接力学过程的数值模 茎”“3 。 求出热弹塑性过程盼准确解，菇要满足如。f 两个条件：一个是要准确模 拟复杂的焊接物理现象；另一个是由于焊接是热急剧膨胀的过程，所以要导 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 出正确的计算方法。数值分析法可以综合考虑焊接过程中的几何非线性、材 料非线性和状态非线性，可以同时分析焊接现象变形、应力、温度、状 态变化等，但是用于如船体分段等较复杂的结构效率还是不高的。 商用软件如a b a q u s 和a n s y s 都基于有限元法之上模拟了焊接过程中的 热弹一塑性过程。焊接结构的专用软件s y s w e l d 给焊接变形的分析带来更多的 便利。热弹一塑性有限元方法从原理上讲，可以解决复杂焊接结构的变形和应 力问题( 如专用软件s y s w e l d ) ，但需要高性能的计算机和极为耗时的运算 。”“，模拟简单结构的焊接过程就要花超级计算机数百秒的时问来一步步的 分析非线性问题。如果使用普通工作站则要数天“。因此从实践的角度讲， 使用数值分析法对大型实际结构的焊接过程进行精确模拟是不可行的。因而 对于大型复杂的船体焊接结构即使可能也是很不经济的，难以在实际生产中 应用。 1 3 4 等效载荷法 为了分析像船舶这样大型结构的焊接变形，研究人员引入了等效载荷法。 等效载荷是指用弹性理论来分析焊接变形时对结构所加的载荷。等效载荷法 是忽略焊接变形的热弹塑性过程，把等效载荷作用在结构上，通过弹性有限 元分析，计算出结构的最终变形量的方法，这种方法比热弹一塑性分析更具效 率性，但是需要通过确切的假设计算出关于焊接变形力学特性的等效载荷。 等效载荷法根据载荷的计算方法可分为实验等效载荷法与固有应变等效载荷 法。 实验等效载荷法是把由实验测得的收缩量，下垂量等变形量用等效的力 和力矩来求得的方法。u e d a 最初提出了求出相应于角变形的等效力矩的方 法。n o m o t o 为了求出等效载荷，利用了s a t o h 的实验推导式。k i m 为了求出 角接焊的角变形与纵向弯曲变形的等效载荷，把实验数据代入到u e d a 提出的 等效力矩方程。显然，实验等效载荷法是直接利用实验数据来求出等效载荷 1 0 第l 章绪论 的，所以在求出不断积累多种变形的船体分段的变形量时，计算就显得格外 复杂。而且此方法由于在求出整个制造过程的等效载荷时，要利用一些简单 的实验结果，所以不能反映出分段制造过程的形状变化。 u e d a 等发展了基于线弹性有限元的固有应变模型。在此基础上， m u r a k a w a 等通过分析固有应变的产生机制，认为固有应变主要是由焊缝各点 的最高到达温度和约束度决定的。9 0 年代以来，韩国的c d c h a n g 等学者对 此技术进行了系统的研究并应用于船厂的生产实践。固有应变等效载荷法是 求出焊接点附近存在的固有应变，且把得到的数据在焊接断面上进行积分来 求出等效载荷，进而应用有限元技术进行分析，便可求得整个结构的焊接变 形的方法。 j a n g 为了求出固有应变进行了圆板一弹簧模型分析，把固有应变存在的 区域假设为椭圆形。s e o 则通过一维杆一弹簧模型计算出了固有应变。 j a n g ，s e o 等所研究的固有应变方程包括了约束系数。所谓约束系数就是反映 焊缝附近区域对焊接构件的热膨胀、热收缩约束强度的物理量，又称为约束 度。s e o 等人的研究奠定了在固有应变计算中考虑结构形状及焊接条件变化 的理论基础”。但上面提到的热弹一塑性分析模型都假设固有应变存在区域的 形状，且固有应变只有存在于此区域内，横向、纵向的固有应变所在的区域 也没有得到区分。但为了精确的计算还需要改进假设固有变形存在的形状及 面积的方法。 u e d a 在1 9 9 5 年发现并改正了此项错误，并证明了其原因。为了反映此 项研究，m u r a k a w a ( 村川英一) 把焊接点微元用3 维约束模型理想化，把固 有应变表示成关于最高温度与约束系数的函数，通过热传导分析求出最高温 度的分布，无需假设固有应变分布区域，从而求出焊接点附近大小变化的固 有应变分布，这使得固有应变的计算更加精确了。但是没有对约束系数的理 论计算方法进行说明，只是根据简单材料的热弹一塑性分析结果，得出约束系 哈尔滨工程大学博士学位论文 数与焊接条件的关系，所以较难适用于复杂结构。为了克服此弱点，j a n g 则 结合m u r a k a w a 的固有应变计算理论和s e o 的约束系数计算方法及实验结果， 选取杆一弹簧模型，在各装配阶段计算结构的约束度，完成了结构形状变化的 固有应变计算。杆一弹簧模型是指把焊接点附近固有应变区域内的微元取为受 温度变化影响的杆，周边区域则相当于弹簧，提供约束。固有应变的大小是 由杆的最高温度和反映约束强度的约束度决定的。最高温度包括焊接输入热 量，焊接种类，母材的材料性质等因素，约束度包括母材的形状，边界条件 的影响。 基于固有应变的弹性有限元法是一种很有实用意义的新方法。这种方法 是对以往只能计算最简单结构的解析方法的突破，同时又解决了用经验公式 不能准确预报复杂船体结构焊接变形的问题。根据目前的研究状况，固有应 变法是一种既能解决大型复杂结构，又比较经济实用的预测焊接变形的方法， 能够直接解决工程实际问题，从而使焊接工艺设计人员对焊接变形的计算与 控制上了一个台阶，有很好的实用意义和发展前途。 上述焊接变形和应力分析方法，包括了实验法，弹性理论方法，数值分 析方法，等效载荷法等。现在盛行的是数值分析方法与等效载荷法，前者用 于正确模拟焊接现象的精确分析，后者则用于如船舶等拥有复杂焊接结构的 变形分析。不难看出，对船体分段的研究最适合的方法是固有应变等效载荷 法。 1 4 本文的研究方法和内容 由于以上背景，本文着重于应用基于固有应变的等效载荷法来研究碳钢 材料的船体分段焊接变形问题。 1 4 1 本文所用研究方法 本文采用的固有应变等效载荷法是利用固有应变分布求出焊接变形的 方法，也就是把焊接热影响转化为等效的收缩力和弯曲力矩，并将其作用于 第1 章绪论 结构物，通过弹性有限元分桥求出变形的方法。其主要步骤为：首先分析焊 件上的各点在整个焊接过程中所能达到的最高温度，同时计算船体分段上其 他加筋板对所焊构件的约束强度，然薏结合最嵩温度和约柬度求出固有应变 的分布，褥把固有威变积分得到等效载荷，最后对作用了等效载荷的分段进 彳亍弹性有隧元分橱求蹬焊接变形。这耱方法是对 盖往只能计算最简攀结构的 解析方法的突破，同时又解决了用经验公式不能准确预报大型复杂船体结构 焊接变形熬阚题。窍很好静实用意义秘发展前途。 本文的主要思想是结合固有应变理论和弹性有限元方法来实际预测结构 的变形，德没有忽略实验的困豢，实验因素的影响体现在有关约束强度的计 算中。在计算过程中，考虑了材料力学性能随温度变化的情况。 1 。4 2 主要研究内容 1 ) 研究整体温度场的有关情况 分别以平叛堆薅鞠热筋投建接焊为例，在给定的焊接电压，焊接宅流， 焊接速度下进行3 维模型瞬态热传导分析，计算准稳态时每一焊接横剖面的 最高温度分布。模拟输入热量产生的温度上升和冷却过程，计算固霄应变分 布区域沿板殍度和板宽度方向各位餮的最高温度。焊接热源骰设为正态分布 移动热源。其中考虑由对流产生的热损失。 2 ) 约索度的诗辩 计算抑制焊接变形的内部约束和外部约束的约束度。根据文献 8 2 实验 结果先诗冀蘩本焊接梅件静约泉度，爵使蹋单位载爨法诗髯缝衷状态f 整个 结构的约束度。使用三维有限元模型，考虑热影响导致的拉雁弹性模嫩的变 化。假设与辉缝垂鸯的断面上窍恒等靛约束度，蕊澄焊缝长澎方向约隶凄是 变化的。阐时研究装蔚己过程中装配顺序剥钧束度的影响。 3 ) 颡裔应交的计算 根据焊接变形的方向，焊接导致的固有应变有两部分是重要的：平行于 哈尔滨工程大学博士学位论文 焊缝的固有应变：它导致纵向收缩和弯曲；垂直于焊缝的固有应变：它导致 横向收缩和角变形。 采用杆一弹簧模型，计算由最高温度和约束度决定的焊接点附近的固有应 变。其中考虑了材料性能常数随温度的变化。 4 ) 等效载荷的计算 对固有应变进行积分而得到等效载荷。等效载荷包括沿焊缝垂直方向作 用的横向收缩力和横向弯曲力矩，以及作用于焊缝两端的纵向收缩力和纵向 弯曲力矩。 5 ) 船体分段的计算： 建立船体平面分段和双层底船体分段焊接变形有限元分析模型，把等效 载荷作用在所选模型上，通过弹性有限元分析求出各个焊接分段的纵向收缩 变形、横向收缩变形和角变形。 6 ) 研究焊接顺序对焊接变形的影响 在工程实际中，对于某种特定连接形式，能够得到相应的