（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究.pdf

摘要 水火弯板加工工艺已成为造船生产流程的瓶颈，从而引起了整个行业的关 注，近年来国内外对船体复杂曲面钢板自动水火加工成形课题都进行了大量的研 究，目的就是为了实现该加工过程的自动化。本文的工作就是基于这样的背景开 展起来的，同时本论文的研究内容属国家8 6 3 项目“大型复杂曲面钢板水火成形 产品机器人研究”的一部分。本文在前人工作的基础上在以下几方面进行了进一 步的研究： 1 介绍了鞍形外板试验的研究方法、实验原理和实验方法。 2 在实验的基础上运用回归方法对鞍形板局部收缩量建立了回归模型并分 析了模型的适用性。以1 2 2 4 m m 系列板厚的实验板测试数据为依据，在板厚、 曲率半径、焰道长度相同的情况下分别建立局部收缩量与加热速度工艺参数之间 的多种数学模型，选择最优回归模型。 3 对神经网络以及b - p 神经网络进行了简单的介绍和多方面的讨论，并应 用b p 神经网络，把加热速度参数及局部收缩量作为输入输出的教师样本，建立 了神经网络模型。介绍了网络的结构设计和网络的训练过程。 4 ，将经典回归模型和神经网络模型在水火弯板中的应用作了相应的比较。 关键词：水火弯板、鞍形板、回归分析、数学模型、神经网络 a b s 1 1 己a c i t h ew h o l es h i pi n d u s u - yi s p a y i n ga t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho fl i n e h e a t i n g f o r m i n g b e c a u s et h e t e c h n i q u e h a sb e e n b e i n g t h eb o t t l e n e c ko ft h ew h o l e s h i p b u i l d i n gs y s t e mi n r e c e n ty e a r s a sar e s u i to ft h i s ，m a n ya t t e m p t sh a v eb e e n t r y i n gt oa n a l y z et h el hp r o c e s st h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l ya n dm a k i n gi ta n a u t o m a t i cp r o c e s si st h e g o a lo ft h er e s e a r c h ，髓ep a p e ri sd e v e l o p e du n d e rt h i s b a c k g r o u n d f u r t h e r m o r e ，i ti s a l s oo n ep a r to f 也e8 6 3n a t i o n a lp r o j a c t “r o b o t r e s e a r c hi nl i n eh e a t i n gf o r m i n go fl a r g ec o m p l e xc u r v e dp l a t e ”b a s e do nt h e p r e v i o u sw o r k ，t h i sp a p e rm a k e ss o m ea d v a n c ei nr e s e a r c ha r e a sa sf o l l o w s ： 1 i ti n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n t p r i n c i p l ea n dm e t h o d so f s a d d l e p l a t e 2 b a s e do nt h ee x p e r i m e n t , i tu s e st h es t e p w i s er e g r e s s i o n a n a l y s i st ob u i l d r e g r e s s i o nm o d e l sa n da n a l y z e st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l s w i 也t h eh e l po fa s e r i e so fl h e x p e r i m e n t sw h i c hc o v e r i n gd i f f n tt h i c k n e s sf r o m1 2 r a mt o2 4 r a m ， r e g r e s s i o na n a l y s i si sa p p l i e dt oc r e a t eas e r i e so fr e g r e s s i o nf o r m u l ao n l ya b o u tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv e l o c i t ya n d c o n t r a c tv a l u ew h i l eo t h e rp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c h a st h i c k n e s s 、r a d i u s 、l e n g t ho f h e a t i n gl i n ea r ek e p tu n c h a n g e da n dc h o o s e st h eb e s t o n eo f t h e m 3 i n t r o d u c t i o na n d t h o r o u g h d i s c u s s i o na r em a d et on e u r a ln e t w o r k e s p e c i a l l yt o b - pn e t w o r k b a s e do nt h ei m p r o v e db pn e t w o r kw h i c hi st r a i n e db yt h e e x p l a n a t o r y p a r a m e t e rt o g e t h e rw i t ht h ec o n t r a c tv a l u e ，t h en e u r a ln e t w o r km o d e li se s t a b l i s h e d d e e pi n s i g h ti sg i v e n t ot h ed e s i g no f n e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h et r a i n i n gp r o c e s s 4 ，ac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e nt h ea b o v et w oa l g o r i t h m s e s p e c i a l l yi nt h e i rm e c h a n i s m sa n da c c u r a c yo f p r e d i c t i o n k e yw o r d s ：r e g r e s s i o na n a i y s h ；l i n eh e a tf o r m i n g ；s a d d l ep l a t e ；r e g r e s s i o n m o d e l ；n e u r a ln e t w o r k 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 第一章绪论 1 1 水火弯板数学模型研究的意义 各种船舶的船体外板大都是由复杂的空间三维曲面构成，把钢板加工成空间三维曲 面，目前世界各国的造船厂采用的方法都是传统的水火加工工艺，也称水火弯板t 目前 该项工艺仍停留在凭工人的经验用手工方式来完成的阶段上。在实际工作中，对于一个 有经验的熟练工人来说，要确定一块曲板的水火弯板加工方案并加工成形，大都需要经 过俩三遍甚至更多次的水火加工才能完成。而对于一个新手来说，要想加工成设计的曲 板就相当的困难。水火弯板的自动化是实现船体加工自动化的一个重要的发展方向。要 实现水火弯板的自动化，是当代船体建造的一太难题。整个造船行业都很关注水火弯板 自动成形研究，研究目标是研制水火弯板智能机器入而水火弯板局部变形数学模型是 水火弯板人一机交互控制系统和水火弯板智能机器人的软件基础，是实现水火弯板半自 动化和自动化的前提。因此说水火弯板局部变形数学模型的研究具有明显的工程应用背 景和重要的学术价值。 1 2 水火弯板的工艺方法和研究方法 1 2 1 水火弯板的工艺方法 水火弯板也称线状加热冷却成形。它是利用金属板局部受高温冷却后产生的 局部热弹塑性收缩变形而达到整体弯曲变形。而局部高温通常由氧乙炔焰在金属板表面 加热获得。 水火弯板局部变形参数有两个，一个是沿垂直加热线方向的横向收缩，一个是沿板 厚方向产生的角变形。影响水火弯板局部变形的工艺参数主要有：火焰的移动速度，喷 嘴离板表面的距离，板的厚度，加热线长度，冷却方法，加热线间距，火焰的功率，喷 嘴尺寸等。在实际操作中，气温的变化，金属板材质的区别，板的几何尺寸，边界支撑 条件等也是作业工人需要考虑的影响因素。 在实际生产中，这项工艺在大多数船厂中仍靠有经验的老技术工人手工加工，即先 以见通线等为参考通过对曲板的整体形状的观察，凭借以往的经验先估算各部分所需的 收缩量，然后再进一步考虑如何布置加热线和确定其他工艺参数，并且在加工的过程中， 还需根据总体变形情况，修改工艺参数，经过几遍加工才能完成。 1 2 2 水火弯板的研究方法 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 水火弯板的研究包括对水火弯板机理的研究和对确定加工工艺参数的研究。对水火 弯板机理的研究的目的是为了建立各加工工艺参数和最终变形之间的关系。人们的研究 思路般是确定最终变形的主要影响参数，确定最终变形的描述参数，然后研究它们之 间的关系，其研究方法主要有俩种：实验法和数值模拟法。实验法主要通过实验确定加 工工艺参数和最终变形之间的关系，根据实验数据得出加工工艺参数和变形间的数学回 归模型。数值模拟法是指由数值确定加工工艺参数和最终变形之间的关系。对确定加工 工艺参数的研究的关键是确定火路的布置，旦火路布置确定后，其余各加工工艺参数 就相对比较容易确定。根据火路布置方法的不同，各种确定加工工艺参数的方法可分为 三类：经验法、几何法和变形法。经验法是指根据工人的加工经验确定火路布置，然后 再确定其余各加工工艺参数。几何法是根据板的最终形状的几何特征确定火路布置并进 而确定其余加工工艺参数，是一种根据外板所要加工成形曲面的曲率方法分布确定火路 的方法。变形法是根据应变场确定火路布置及其余加工工艺参数。水火弯板过程可以作 为外板展开的逆过程来考虑。因而外板展开过程中所产生的变形水火加工过程所需要产 生的变形是对应的。所以通过计算外板展开所产生的变形，根据变形和加工工艺参数间 的关系，就可以完全确定出包括火路布置在内的全部加工工艺参数。 人们研究水火弯板的最终目标是研制水火弯板智能机器人。水火弯板的工艺过程是 金属板局部的瞬态熟弹塑性变形过程，最终达到板的整体成形。而由于影响金属板局部 瞬态温度场的因素比较多。其中还有一些因素是难以确定的，所以导致金属板的局部变 形的研究就比较复杂。因此水火弯板的研究需要分阶段分步骤的探索和研究。水火弯板 的研究工作主要分为三个阶段： 第一阶段属于对水火弯板加工方法的定性研究阶段。主要研究方面有：根据金属板 的材质和强度要求，限定金属板表面最高温度；根据不同加热线的形状确定较好的冷却 方式；研究主要参数对成形效果的影响规律等。 第二阶段是对水火弯板加工过程中工艺影响参数影响变形参数的定量分析阶段。主 要研究方面有：水火弯板数学模型的建立和完善；不可展曲板的最佳展开方法；水火弯 板计算机模拟方法等 第三阶段是对水火弯板数控系统的研究阶段。主要研究方面有：水火弯板专家系统： 水火弯板人一机交互控制系统：水火弯板自动控制系统：水火弯板智能机器人。 纵观上述三个研究阶段，第一阶段是以在实验室中试验为主要的方法来展开研究 水火弯扳鞍形扳实验分析及数学模型的研究 的。通过对实验结果的分析，定性的找出不同的加工方法( 包括一些主要的工艺参数) 对变形的影响规律，在此基础上制定了工艺规程，规定了某些工艺参数的应用范围。第 二阶段是水火弯板研究的关键阶段，也是技术难度最大的一个阶段。在这个阶段中，需 要探讨并制定对水火弯板做定量的分析的研究方法，同时还要积累足够多的实船板的加 工数据。在此基础上，通过对水火弯板变形机理和模拟方法的研究，找出工艺参数对变 形参数的定量影响关系，建立一套比较完整的数学模型，完成计算机辅助水火弯板工艺 参数的软件系统。第三阶段是以第二阶段的研究成果为基础，在软件和硬件俩个方面同 时展开研究。 1 3 水火弯板研究的现状 造船工业发达的日本等国对水火弯板问题都有过研究。特别是日本，在五十年代初 就开始从事这方面的研究。六十年代末期的研究将其工艺参数对变形的定性影响的实验 研究成果用于水火弯板工艺规程的制定计划里。八十年代中期，随着计算机技术的发展， 日本又开始了水火弯板计算机模拟系统的研究。在此基础上，近一俩年提出了研究包括 水火弯板温度和形状的测量系统、调整支撑钢板的自动化装置、新的热源及控制系统和 加工过程中修正方法等内容的水火弯扳机器人的构想。现在研究这个课题的主要有东京 大学的野本敏治，大阪大学的上田辛雄、村川英一，石川岛播磨重工业株式会社的神进 亮一、奥本太久。目前，他们正在研究的最新问题是船弯板用计算机辅助自动作业系统 的开发以及使板弯曲模拟器的开发。神进亮一、上田辛雄、村川英一等对以往技术娴熟 的工人的丰富经验和加工方法进行了系统总结的必要量化，形成了一整套比较完整的理 论系统。另外韩国也在预测钢板水火加工变形的研究和水火弯板自动标记生成系统的研 究方面取得了一些成果。 最近几年国外对水火弯板的研究主要有m o s h n i o v 和v o r u s 根据热弹塑性理论建立了 水火弯板过程的数学模拟，m o s h n i o v 和s h i n 通过将角变形和平面内的收缩变形分开考虑 的方法研究了水火弯板的板条模型，k i t a m u r an 和s a k a i 研究了水火弯板的三维有限元 数值模拟模型，j g s h i n 等建立了水火弯扳的数值模拟模型，j ，g s h i n 和j h ，l e e 在有 限元方法水火弯板过程数值模拟的基础上，建立了水火弯扳的人工神经网络模型，u e d a y 和m u r a k a w ah 用有限元计算分析了加工工艺参数和变形囊之间的关系。j o o s u n g l e e 、c h a n gd o oj a n g 及s u n gc h o o nm o o n 都提出一种根据外板所要加工成形曲面的曲率 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 方法分布确定火路的方法，前者直接由衄面的高斯曲率确定火路，而后者则是初始曲面 和最终曲面间的差值曲面的曲率线来确定火路的布置。l e t c h e r 、l e ej s 、u e d ay 等 的研究认为，水火弯板过程可以作为外板展开的逆过程来考虑。因而外板展开过程中所 产生的变形水火加工过程所需要产生的变形是对应的。所以通过计算外板展开所产生的 变形，根据变形和加工工艺参数间的关系，就可以完全确定出包括火路布置在内的全部 加工工艺参数。汉城国立大学教授c h a n gd o oj a n g ，s u n gc h o o nm o o n 和d a ee u nk o 开发 了一个自动获得加热信息的水火弯板模拟系统，应用热弹塑性分析模型预测钢板变形， 由钢板的初始几何形状决定加热线位置。这个水火弯板模拟系统包括预备技术和加热线 布置俩个模块。通过实船板实验表明此系统能够通过钢板的初始形状提供优化的加热信 息。通过水火弯板机器人，此系统能够实现水火弯板的自动加工。印度工学院海洋与船 舶学院教授ma d a k 和nrm a n d a l 开发了一个能够确定水火弯板所需变形程度的计算程 序，通过假线性等价恒硬度系统解决了这种非线性问题。通过解决一个梁模型验证了这 个概念，其理论结果和实验结果非常吻合。麻省理工学院的g u o x i b r uk o i c h i ， m a s u b u c m ，忍妇曲jm a e k a 礴给出了一个分析水火弯板成型过程的有限元模型，应用 再分区技术获取成型过程的主要特征，减少了计算时间。应用此模型可以模拟成型过程， 可以获得和实验致的结果，并研究了边界影响参数和热量输入参数。 国内对水火弯板的研究起步比较晚，从八十年代初期哈尔滨工业大学、上海交通大 学、大连理工大学都相继进行了这项课题的研究。最近几年国内对水火弯板的研究主要 有上海交通大学船舶与海洋工程学院的麓大栓教授等建立了水火弯板过程的数学模型 和数学计算模型，实验验证了水火弯板有限元模型计算结果的可靠性，研究了水火弯板 中的各影响参数并确定了水火弯板的主要影响参数，研究了水火弯板的温度场及变形场 的描述方法，确定了水火弯板中主要工艺参数与温度场及变形场间的关系。他研究了帆 形板水火弯板加工的机理及加工工艺参数确定的算法。在建立并以实验验证了水火弯板 的数值模拟模型的基础上确定了帆形板火焰成形的温度场及变形场主要影响参数，提 出温度场及变形场的描述方法，并通过计算得出了板的温度场及变形场与主要n - f 参数 间的关系，最后得到了对于给定帆形板确定加工工艺参数算法。他分析了水火弯板变形 中的面内扭曲和沿板宽方向变化的横向收缩及沿板长方向变化的纵向收缩的描述函数。 通过实验测量及有限元计算结果水火弯板变形中存在的为一般研究所忽略的面内扭曲 变形及纵向收缩量，指出横向收缩量也沿板长方向变化。大量的有限元计算结果表明各 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 种影响因素下的扭曲变形及收缩变形都可以用函数描述，并通过计算结果的回归分析得 到了这些函数。他还给出了水火弯扳成形后板下表面的曲面方程的基本形式，水火弯板 的变形场可由成形后板的表面形状及平面内变形全面描述，对于帆形板火焰成形的变形 大量计算结果表明，各种加工条件下板成形后的表面形状是相似的，即曲面可以用同一 种曲面方程描述。通过对计算结果的回归分析，得到了此曲面方程的具体形式，并比较了 计算和拟合结果，其准确性满足工程要求。另外他还通过对水火弯板温度分布的实验数 据及数值计算结果的分析，认为在加热线垂直于板边且从板边开始加热的条件下，在垂 直于板厚方向的各截面上的温度分布具有相似性，在同一截面上垂直于加热线方向的各 直线上的温度分布具有相似性，进而根据这些相似性讨论了水火弯板温度场的半解析解 的基本形式。大连理工大学船舶与海洋工程学院的纪卓尚、刘玉君教授也在水火弯板方 面作了大量的研究。主要成就有他们分析了水火弯板模拟方法研究的内容，主要有四个 方面：其一是研究船体外板复杂曲面成形后所必需的局部收缩量；其二是以实船板水火 加工测量数据为依据，建立外板局部收缩量同水火加工参数关系的数学模型，并辅以实 验班的测试分析，进行模型的补充；其三是根据水火弯板的工艺规程，应用优化方法， 合理的确定对已知外板形状进行水火加工的工艺参数：其四是收集实船板的加工反馈信 息，充实、完善和修正数学模型。以帆形板为例，介绍了俩种复杂曲面成形必需局部收 缩置的计算方法，建立了最大收缩长度和影响参数的数学模型，进行了模型的检验，并 提出了数学模型的实验修正方法和工艺优化设计方法。研究了船体外板典型曲面成型局 部收缩量的求解方法，在对实船板实验研究的基础上，建立了钢板局部变形参数同水火 加工参数关系的数学模型，对线状加热条件下钢板变形的温度场进行了理论分析，并初 步讨论了钢板变形的热弹塑性机理，分析了水火弯板的热过程特点，应用移动热源理论， 建立了求解薄板、中厚板和厚板温度场的数学模型。考虑分布热源和材料热物性对温度 场的影响，研究了求解温度场的数值方法，并介绍了水火弯板瞬态温度分布的测试原理， 给出试验和计算结果，分析了模型的误差原因。 1 4 论文的主要内容 本文在实验的基础上，对水火弯板鞍形板局部收缩量的问题开展了以下几个方面的 研究工作： 1 介绍了鞍形外板试验的实验原理和实验方法。 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 2 在实验的基础上运用回归方法对鞍形板局部收缩量建立了回归模型并分析了模 型的适用性。 3 建立了基于b - p 神经网络的鞍形板局部收缩量的模型。 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 第二章鞍形板局部线变形分析的实验原理和实验方法 2 1 水火弯板的研究方法 水火弯板( 也称线性加热冷却成形) 是随着造船技术的不断革新和进步而兴起的一 种热冷却加工成形技术。水火弯板的原理是番4 用热应变和热应力达到曲板成形的目的。 但是水火弯板的过程比一般条件下的热处理过程要复杂一些。 水火弯板的工艺过程的本质是一个热弹塑性问题。虽然热应力理论研究已发展得较 为成熟，但是研究的大多数是热弹性问题。像水火弯板这样包含羞塑性、非线性等复杂 的热弹性问题要采用解析的方法是几乎不可能的。因此早期的研究多是定性方面的。 虽然随着计算机的发展和引用，国内外的专家对热弹塑性问题的研究取得了相当好的成 果，但是对应用到水火弯板的研究中有相当大的难度，所以本论文所述的研究采用了水 火弯板模拟方法。 水火弯板模拟方法的研究是在总结国内外的前期水火弯板研究工作的基础上，分析 我国造船生产的实际情况，结合国内地区的造船特点，发挥厂校多年的密切合作的优势 以及借鉴国外的一些研究经验的前提下发展起来的水火弯板模拟方法研究的目的是将 适合实际的阶段性的研究成果不断的试用到造船生产中，并在试用中得到反馈信息，对 原有模型进行不断地完善，尽快地部分推广应用；同时也为水火弯板的机理研究提供了 技术保证；并为水火弯板机的研制奠定基础。 水火弯板模拟方法的研究分四个方面的内容： 第一：是研究船体各曲面( 多数为不可展曲面) 展开后必需的局部收缩量( 指收缩长度 和收缩面积) 。 第二：是以实船板测试数据为依据，建立局部收缩量与工艺参数的( 包括一些影响参数， 如气温、材质等) 关系的回归模型，并辅以试验板的测试分析，进行模型的修正。 第三：根据水火弯板的工艺规程，利用优化方法，合理的设计出水火弯板参数。 第四：试用阶段并收集反馈信息，修正和完善充实回归数学模型。当回归模型达到要求 的质量，即可投入使用。 水火弯板的模拟方法的几个研究方面并不是相互独立的，而是相互补充和修正的。 图2 1 1 表示四个方面的关系。 大连理工大学船舶系和大连新船重工合作采用水火弯板模拟方法迸行研究的“帆形 水火弯扳鞍形板实验分析及数学模型的研究 扳水火加工工艺参数优化设计”系统已在大连新船重工的生产试用中获碍成功，并已投 产使用。使该厂的水火弯板加工速度和质量上了一个台阶，提高船体无余量装配技术水 平。这证明水火弯板模拟方法是研究帆形板的相对简单但确实可行有效的研究方法。 图2 1 1 由于鞍形板相对于帆形板有不同的加工方法，所以不能简单的把帆形板的研究结果 应用到鞍形板的加工中去，所以在帆形板成形研究取得成功后，大连理工大学船舶系和 大连新船重工继续合作，采用水火弯板模拟方法进行了鞍形板的成形研究工作，这是本 论文主要论述的内容。 2 2 水火弯板的实验原理 2 2 1 水火弯板的加工原理及各参数的测量 水火弯板成形基本原理是通过板的局部收缩变形而达到板的整体弯曲成形。在水火 弯板模拟方法的研究中，考虑局部变形要用两个参数，一个是沿垂直加熟方向的横向收 缩量，另一个是沿板厚方向产生的角变形。横向收缩量是由于局部平面内的受高温的热 膨胀体受匪并在冷却后牧缩受拉所产生的塑性变形量( 包括收缩长度和收缩面积) 产生 的：角变形量是由于在加热面与背面形成板厚方向的温度梯度，使得在表面和背面上产 生的收缩最不同而造成的( 如图2 2 1 ) 。 整体变形羹则由辊轧线( 或见通线) 的挠废值来确定。驮理论上讲，囱扳豹整体变 形参数与局部变形参数应有明确的对应关系，即曲板的整体形状确定后其局部的收缩量 就应该确定，而这个必需得局部收缩量就是进行水火弯板工艺参数设计的定量依据，在 水火弯板成形的研究中，局部收缩量的测量是最大的难点和重点。 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 加热血而 ，、h ， r t l 一 奄 、p ， j f ：童莹i 爵 图2 2 1 水火弯板成型的基本原理理 双向曲度船体外板主要分为：帆形板，鞍形板，球面板，尤其以前两种为主。在工 艺上，这两类板耜同的是，都是先辊轧成单曲度板；不同的是局部变形位置，其中帆形 板是在同方向上沿上下纵向边缘进行局部加热，使两边局部收缩已达到整体成型。而鞍 形板则是在反方向上的辊轧线附近进行局部加热，使板中间部分收缩己达到整体成型 ( 如图2 2 2 ) 。 帆型扳 鞍型扳 图2 2 2 帆形板和鞍形板的加热线位置 鞍形板和帆形板的另外一个不同之处是焰道数，在帆形板的加工中一般在沿加热方向只 在板边缘布置一条焰道，而在鞍形板的加工中，一个加热方向一般布置多条焰道，而且 焰道的数目是变化的，不一定相等( 如图2 2 3 ) ，这也是鞍形板成型研究和加工比帆形 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 板难度更大一些的原因。 图2 2 3 2 2 2 实验测量参数和仪器 实船板水火弯板加工成型的测量参数包括： 1 板材参数：外板形状参数( 板长，板宽，板厚，辊轧线位置，弧长) ，横向曲率 半径。 2 加工工艺参数：乙炔及氧气的压力和流量，水流量，加热线长度，加热线宽度， 加热线形状，加热速度，加热点最高温度( 在实际加工过程中，应注意帆形板和鞍形板 的加热方向不同) 。 3 边界条件：两端自由，两端支撑，四角支撑。 4 局部变形参数；加热线局部变形收缩量( 最大收缩长度) 。 测量仪器：钢尺，流量计，压力表，手持应变仪，游标卡尺等。 加热线 固定点 图2 2 4 测量固定点收缩量长度的方法 2 2 3 局部变形参数的测量原理 ( 1 ) 局部变形 如图2 2 4 ，在加热线两边选取k 对固定点。使用手持应变仪( 或游标卡尺) 测量 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 加工前后每对固定点间的距离，分别记为哆，蟛( j = 1 ，2 ，k ) ，则固定点的收缩 量x ，( j = l ，2 ，k ) 为： x i = d r d 3 以( x ，y ，) ( j 。1 ，2 ，k ) 作为离散点坐标值，应用样条曲线拟和，得到分段曲 线y = f ( x ) ，并求出f ( x ) 与x 轴和y 轴交点( x 。，o ) ，( 0 ，y 。) 则曲线下面积a s 记为该 焰道的实际收缩面积： a 。= j ，( x ) 出 ( 2 ) 整体变形 ( 2 2 ) 衡量钢板整体成形的效果，通常采用图2 2 ，5 ( a ) 所不的见通样板测量方法。加工 前板的辊轧线是一直线( 接触地面) ，水火加工后，由于局部收缩变形而使辊轧线成为 条曲线( 一般板的横向曲率变化不大) ，如图2 2 5 ( b ) 。通过见通线上各点在加工前 后的变化可以得到辊轧线的挠曲度曲线。 以两端样板见通a ，a 。( r 1 个样板) 为基准，建立一直线，测量变形前后各通点距 么。4 。的高度扛( = l ，2 ，疗) ，得到各点垂向挠度鸱， c o ，= h , - h ， ( f - l ，2 ，1 ) ( 2 3 ) 由于所加工板的滚轧线中间部分接触地面，故取接触地面的一点k ， d o ；h 女一h o = l ，2 ，玎) ( 2 4 ) 则实际辊轧线挠度曲线上的点的挠度国，为： c o ，= d o ，一国女( f - 1 2 ，竹) ( 2 5 ) 用双圆弧样条建立分段曲线( 妫= g ( 奶，如图2 2 5 ，其中三。是板的总长，离散 点尸，坐标为( i ，m ，) ，挠度曲线g ( m ) 为： 水火弯板鞍形扳实验分析及数学模型的研究 ) 2 否g ，( 珊) m 是分段曲线段数，g ，( 。) 是第，段曲线函数a 见通线 ( 2 6 ) 一 o 0 ( b ) 图2 2 5 2 3 水火弯板的实验方法 在实船板水火加工成形测量过程中，所有的数据只有几种板厚的测试数据，这是由 船厂的生产实际情况所决定的。为了补充实船板数据的缺陷，进行必要的实验补充。通 过对选择的加工工艺参数和变形参数的测量，进一步分析板厚对局部变形的影响关系， 进行曲扳成形所必须的收缩量的实验修正等。这就是实验板的测试目的。 对实验板的参数采取静态测试和动态测试两种方法。静态测试主要测量工艺参数和 局部变形参数；动态测试测量辊轧线的挠度变化。 2 3 1 验板的测试内容 水火弯板鞍形扳实验分析及敢学模型的研究 1 。系列板厚实验板在相同工艺参数时的局部变形参数和整体变形参数。 2 相同板厚实验板不同工艺参数时的局部变形参数和整体变形参数。 2 3 2 一些重要加工参数的选择 1 冷却方式的选择 冷却方式对成形效果有很大的影响，需要根据不同的加工要求进行选择。对鞍形板 的水火加工成形，由于其横向曲率是由冷弯法按加工样板事先加工好的，只需用水火加 工来达到要求的纵向曲率。由此可见，其成形过程主要是利用板在水火加工过程中的收 缩来达到弯曲的效果。其角变形严格来说没有多大好处。在冷却方式中，正面跟踪水冷 能获得较大的横向收缩和较小的角变形。同时由于它具有操作方便的特点，是对鞍形板 水火加工成形较理想的方式。 2 水火距和水流量的确定 为达到较好的成形效果，合理的选择水火距和水流量是具有重要意义的。火焰在钢 板表面移动，使金属沿着板厚方向产生温度梯度，在表面上也形成以火焰为中心的分布 温度场。由于金属的热传导总要有一个过程，不可能马上达至q 所谓的“准稳态”温度场， 因此，水火距不能选得太小，一是因为水火距太小时，还没有形成有利于成形的温度分 布就进行冷却，达不到较好的成形效果；二是太小的水火距易使钢板的表面金属产生淬 火现象，使金属的组织和机械性能发生变化。但是太大的水火距又会起不到水冷的效果。 从以前的资料和实验结果的分析表职，对不同的板厚有不同的最佳水火距。般开始水 冷处的温度在5 0 0 0 c 以下时，将不会使材料发生性能方面的变化。通常是在火焰过后的 三十秒左右开始冷却。实验的水火距控制在1 0 0 1 1 0 m m 内，水的流量选在1 5 0 m l s 左 右。 3 火焰参数的选择 通过实验证明，火焰参数对成形效果有很大的影响，并直接关系到加工成本和效率。 主要的参数有：火焰功率、移动速度以及火口速度。火焰功率是由加热嘴的型号和气体 流量决定的，因此当使用一定型号的加热嘴时，火焰功率主要是以调节气体的流量来控 制的。在加热中除要使金属表面达到一定的温度，还要达到一定的温度梯度。因此对于 不同厚度的板，存在一最佳的火焰功率和移动速度的组合。为了不使表面最大温度过高 ( 大于9 0 0 0 c ) 就必须加快移动的速度，这样只有使表面金属受热温度升高，没有达到 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 一定的表面温度就得放慢移动速度。这样，当表面达到一定温度后，板背面的温度也上 升较大。温度梯度下降，对角变形不利，但对收缩还是有利的。因此若需要较大的角变 形，可适合加大火焰的功率，以增大板厚方向的温度梯度，促使角变形加大。鞍形板和 帆形板的火焰参数几乎相同。 4 焰道移动方向的确定 对于鞍形板的成形加工，在工厂的实验中工人师傅的加工是靠自己的经验来加热 的，根据对板的收缩量的研究发现，鞍形板的加热移动方向以从起点加热至终点为最佳。 由于在板的两端支起的情况下，板的中心部分必定存在压应力，能够促使收缩增加，因 此，应该充分利用板的压应力来达到成形的目的。 5 加热热源的速度v 加热热源的速度v 是一个很有趣的变量，它在整条加热线中是一个不断减小的量。 我们认为中性层断面是最优断面，而中性层断面是板宽的一次函数，即_ y = 柚，其中y 是烧透深度，b 为板宽。每次测量加热时间时，记录前l o m m 和后5 姗的加热时间，计算 出加热速度v 。然后测量板边的烧透断面，板中部的断面深度可以用实验取一个小量， 用回归方法计算出v 的幂指数和系数k 。可见，对应于每个板厚，都有一个最优加热速 度。 6 ，加热线长度和焰道布置 合理的进行焰道布置是水火弯板加工的很重要的环节。对一确定的板就是要找出一 合理的焰道布置，以使加火量最省，加热时间最短。鞍形板的加热线的一般要分为3 段， 每段的长度为2 0 0 m m - - 4 0 0 m m 。在实际生产中并不是一定把加热线长度取到最大，而 是根据加工板的形状，协调加热线长度和间距，取合理的组合。故在加工过程中除了 要保证使见通线达到所要求的弯曲形状外，还要保证板边的光顺。对定的见通线弯曲 量，加热线长，就得加大间距，由于加热而产生的角变形，易使板边产生折角现象。若 间距小会产生波浪形波折，同时相邻两加热线的温度场将发生影响，对成形不利。曲率 大的位置，加热线可密些，长一些。曲率小的部位，加热线可稀一点，短一点。在本 次实验中，根据板的弯曲程度不同，依上述原则进行了布置，同时还考虑了两板边的弯 曲不同，对其进行调整。 2 3 3 试验设计方案 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 本次研究工作是由大连理工大学和大连新船重工合作进行，试验的操作是在大连造 船厂的船体车间，试验的对象是在船厂生产中实际使用的钢板，钢板的参数如下： 板宽：1 5 0 0 毫米 板长：3 0 0 0 毫米 板厚：1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 毫米。 横向曲率半径：3 0 0 0 5 0 0 0 毫米 共测量了1 7 张试验板。 图2 2 6 给出了实验板焰道布置的示意图，每张板有十四列焰道，每列焰道分为三 段，加热线长度布置分别有2 0 0 4 0 0 2 0 0 m m ，4 0 0 2 0 0 4 0 0 m m ，3 0 0 3 0 0 3 0 0 m m 三种方式， 一列中加热线间距为5 0 m m ，列与列间加热线间距为2 0 0 m m 。实验时先在钢板上画出焰道 布置，然后在加热线两边打眼，用应变仪测量加热前后两眼问的距离，二者的差即为加 热线两端的收缩量。 加热线 图2 2 6 水火弯板鞍形板焰道布置示意图 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 第三章水火弯板鞍形板回归模型的建立及回归分析 由于船体曲面外板大多数是帆形板，而且帆形板的成形加工工艺相对鞍形板简单， 所以研究主要集中在帆形板的成形研究上。在对帆形板的成形已经取得阶段性成果后， 我校和大连新船重工合作进行了鞍形板的成型试验和数学模型的研究，通过大量的试 验，对影响鞍形板成形的工艺参数进行了实验分析，并取得了初步的成果。本章的主要 内容是在对系列厚度( 1 2 毫米至2 4 毫米板厚) 鞍形实验板试验的基础上，运用数理统 计原理及一元线性回归分析方法，对试验测试数据进行回归分析，建立了此系列鞍形试 验板局部变形与主要工艺参数之间的一元回归模型，为鞍形板加工工艺参数设计提供参 考。 3 1 各种主要参数对变形影响的定性分析 3 1 1 加热线长度对鞍形板变形的影响 加热线长度对变形效果有明显的影响，它不仅影响收缩区的长度，而且影响收缩量 的大小。固定其它参数，采用板厚为1 2 m m ，曲率半径r = 5 0 0 0 m m 的钢板重复试验测量， 分析所测数据，以加热速度为自变量，收缩量为因变量得到加热线长度分别为l = 2 0 0 m m 、 l = 3 0 0 m m 、l = 4 0 0 m m 的三条函数曲线，如图3 1 i 所示。由于鞍型板的每条加热线的加热 顺序不同，图( a ) ，图( b ) ，图( c ) 分别第一，第二，第三道加热焰道。可以看出， 收缩量随着焰道长度的增加而增大。再者根据船厂实际加工经验，通常加热线长度不能 超过板的横截面中和轴，否则不利于成型。 ( a ) 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 ( b ) ( c ) 图3 1 1加热线长度对变形的影响 3 1 2 鞍形板的曲率对变形的影响 选取相同板厚t = 1 2 m m ，曲率半径分别为r = 3 0 0 0 m m ，r = s o o o m m 的板进行测试，固定其 他的参数，以加热速度为自变量，收缩量为因变量得到俩条函数曲线，如图3 1 2 所示， 图( a ) ( b ) ( c ) 分别对应第一、第二、第三道加热焰道。通过曲线可阻看出，同一条件 下曲率r = 3 0 0 0 m m 的板的收缩量要比t = 5 0 0 0 m m 的板收缩量小。由此可知，鞍形板的收缩 量随曲率的增加而谶鹊粥约口。 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 ( a ) ( b ) ( c ) 图3 i 2 曲率对变形的影响 - 1 8 - 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 3 1 3 热速度对鞍形板变形的影响 加热速度是影响成型效果的一个重要参数。将本次试验的数据进行分析，得到如图 3 1 3 热速度与收缩量之间的函数曲线，从曲线可知收缩量随加热速度的增大而减小。 图3 1 3 加热速度对变形的影响 3 1 4 线间距对鞍形板变形的影响 根据加工板的成形形状，对于加热线间距的设计，通常需要考虑如下几个问题：第 一，加热成形达不到要求时，需要补俩次加热线的位置：第二，间距过小时，则影响加 热线之间的变形效果，降低效率；第三，间距过大时，会使变形明显不连续而产生折边， 使收边不光顺。实船扳加工的加热线通常为等间距布置，且在2 0 0 - - - 3 5 0 m m 之间。通过 对2 5 0 m m ，3 0 0 m m ，3 5 0 m m 等距加热线设计试验时发现，加热线距离小时变形大，即变形与 加热线距离成反比。 总结这类影响参数对变形的定性影响： 变形量( 横向收缩及角变形) 随加热线长的增加而增大。 变形量随横向曲率半径的增加而增大。 变形量随加热速度的增加而减小。 变形量随加热线间距的减小而增大 由实验数据定性分析得出的如下一些结论： ( 1 ) 温度应力影响纵向挠度 在焰道布置相同的情况下，各加热线加热的顺序不一样，则成形效果不同。两边同 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 时加热的板，角变形和纵向挠度值比较小，而两边同向先后加热，其变形增大。这说明 加热线顺序不同，其先加热部分产生的温度应力对其后加热部分的热塑弹性变形的影响 效果不同，而最终变形值也不同。另外，板的厚度对变形的影响也比较大：薄板变形较 易。这也符合材料的力学性质：薄板较厚板的截面惯性矩小，且单位线能量大。 ( 2 ) 支撑条件不同对变形的影响： 两种支撑条件：一是两边自由支撑，另一是放在平台上不加支撑。在固定其它加热 参数的情况下，两边自由支撑板比不加支撑的板变形大 ( 3 ) 二次加热对变形的影响： 热的焰道进行水火加热变形后，如果不符合样板的要求，那么将进行火焰矫正，也 称二次加热，由实验数据可看出二次加热效果较第一次加热效果差，横向收缩和弯曲 挠度都小，其原因是加热线两边产生了较大的约束度，阻碍二次加热的角变形和纵向挠 度。 另外，加热顺序对变形也有影响。第一道加热线加热的时间长，但变形反而小。 这主要是因为有一个预加热过程在里面。 3 2 回归模型的建立 3 2 1 一元线性回归分析 在分析水火弯板鞍形板数据的过程中，由于其众多的参数变量，对成型效果的影响 是不言而喻的，如果考虑所有变形参数对收缩量产生的影响，则应建立多元线性回归方 程。这一课题已经有过相关的分析和讨论，但由于其各参数之间复杂的相互关系，使得 某一参数与变形收缩量的对应关系不是很明确，关系也相应的复杂一些。鉴于此，本论 文中已经确定将集中讨论的是加热速度和收缩量之间的相关关系，所以建立的是一元线 性回归分析方程。 3 2 2 回归分析的主要步骤 ( 1 ) 根据数据，确定变量之间的相互关系( 即建立数学模型) 。 ( 2 ) 进行回归方程( 数学模型) 的显著性检验。 ( 3 ) 数学模型的预测和控制。 3 2 3 回归模型的选择 根据实验测试和分析，回归模型建立采用的数据是1 4 r m 板厚的系列板，即板厚为 水火弯板鞍形板实验分析及数学模型的研究 1 4 r a m ，曲率半径有3 0 0 0 m m ，5 0 0 0 m m ，焰道布置分别有3 0 0 3 0 0 3 0 0 m m ，4 0 0 2 0 0 4 0 0 m m ， 2 0 0 4 0 0 2 0 0 m m 三种类型的系列板，本文只对3 0 0 m m 焰道实验数据建立回归模型。通过 观察分析实验数据可知，上下板边焰道和中间焰道在同一加热速度下的局部收缩量差别 很大，不可能用一个回归公式同时表达，所以对于一个回归模型需要三个不同的数学公 式分别对应板中、板边( 分先后) 焰道的局部收缩量的计算。应用逐步回归分析方法， 分别建立了四个回归模型： 模型一( 一次) ： 6 。a v + a o + ( 3 - 1 ) 模型二( - - 次) ： 6 = a 2 v 2 + a i v + a o + ( 3 - 2 ) 模型三( 三次) ： 6 = a a v 3 + a 2v 2 + aj v + a o + ( 3 3 ) 模型四( 指数) ： 6 = a ，vo + ( 3 - 4 ) 其中6 为收缩变形量，v 为加热速度，a 。，口，口：口，为回归系数e 为随机误差。 以上各模型中设6 与各影响系数的关系满足线性回归模型的各种假设： l1 e (