帆形板电火花弯板的加工

帆形板电火花弯板的加工

随着造船模式的变迁，自动曲线挤出设备的开发和应用日益成为一个必须解决的问题。加工设备是以水火弯板加工参数确定的理论为基础研制的。加工参数的确定,指对于一给定型值的双曲度船体外板,如何确定外板展开形状、加热线位置和长度、氧及乙炔的流量、喷嘴高度、加热速度、冷却方式及支撑形式等各种加工工艺参数。而加工参数的确定,又是建立在对水火弯板机理的研究之上的,也就是说,只有在对以上各加工参数和最终变形之间的关系有了明确的认识之后,才能反过来根据这一关系确定,能够获得所需最终形状的加工参数。因而,本文首先分析变形场的主要影响参数及其和变形间的关系,进而研究给定型值的外板的水火弯板加工工艺参数的确定的算法。由于水火弯板机理的复杂性,本文主要讨论帆形板的水火弯板加工。1实验方法和数值模拟法之间的关系对水火弯板的机理的研究主要有解析法、实验法和数值模拟法。解析法通常将板简化为多条梁来考虑,如A.Moshaiov等,汪建华等的研究。实验法主要是通过实验确定加工参数和最终形状间的关系,如钟国柱、黎明,纪卓尚、刘玉君等的研究。数值模拟法是指由数值解确定加工工艺参数和变形间的关系,这方面的研究有UedaY.和MurakawaH.,J.G.Shin和J.H.Lee等。本文研究主要采用数值模拟法。首先分析水火弯板变形场的主要影响因素和变形场的描述,然后通过大量计算得出主要影响参数和变形场的关系。1.1实验测量及计算结果水火弯板的数学模型包括火焰的燃烧反应模型、冲击射流火焰的对流换热模型、线加热条件下的准稳态温度场模型及热弹塑性变形模型。对于燃烧反应和射流火焰的对流换热,由于理论和数值模拟上的困难,本文采用高斯分布的对流换热模型,不同加工工艺参数下的模型参数由实验测量计算得到。对温度场和变形场,由于难以求得理论解,本文采用有限元计算,模型及计算得的温度场和变形场(Uz)如图1所示。为了分析计算结果的可靠性,对于温度场,分为空冷、正面水冷和背面水冷三种情况作了10组红外摄像仪测温度场的实验和20组热电偶测温度时间曲线的实验,实验测量及计算结果如图2所示。对于变形场,做了10组实验,并用三坐标测量仪测量了板的最终形状,实验测量及计算结果如图3所示。通过比较各种条件下的实验测量值和有限元计算值,可以认为有限元计算结果是可靠的。1.2温度场的描述温度场是水火弯板变形的温度载荷,故研究变形要先研究温度场。温度场研究的核心为温度场和主要影响因素间的关系。影响水火弯板的温度场因素可以分为板的几何特性、材料特性、加热参数和冷却条件四个方面,每方面又包括很多具体参数。实验及正交分析表明,水火弯板各因素中对温度场影响较大的为板厚th、材料特性、喷嘴型号、乙炔流量Vata和火焰移动速度Vf。通过对温度场的分析认为,水火弯板的温度可以表示为如下的形式:T(x−Vt,y,z)=((Tm(z)−T0)f1(x−Vt−x0(z)b1(z))+T0)f2(yb2(z,x−Vt))+T0(1)Τ(x-Vt,y,z)=((Τm(z)-Τ0)f1(x-Vt-x0(z)b1(z))+Τ0)f2(yb2(z,x-Vt))+Τ0(1)式中v——火焰移动速度;Tm——最高温度。更简洁地,为了分析温度场对变形场的影响,认为温度场可由板面最高温度Tmax、加热宽度B、加热长度L及下表面最高温度Tb四个特征参数来描述。四个参数的定义如图4所示。计算出各影响因素取不同值时的各种组合下的温度场的Tmax、B、L及Tb,即可得温度场的基本规律。本文得到了船用碳钢在4号火工喷嘴下的温度场规律,其中20mm板厚的Tmax、B、L及Tb随Vata及Vf变化的曲线如图5所示。1.3全面提高变形场的参数设计变形场研究的核心为变形场的主要影响参数和变形间的关系。变形场的影响参数可分为板的几何特性、材料特性、温度载荷及支撑条件四个方面。分析表明,主要影响因素为板厚th、板宽w、预辊压曲率半径R0、材料特性、喷嘴型号、乙炔流量Vata、火焰移动速度Vf、加热线长L及支撑条件。为了完整地描述变形场,本文提出了变形场的整体变形描述法,即认为单条火路产生的变形可以从上下表面形状、整体扭曲、沿板宽变化的横向收缩和沿板长变化的纵向收缩四个方面描述,如图6、图7所示。其中表面形状可以表示为:z(x,y)=a(y)e−b(y)x+k(y)x+c(y)(2)z(x,y)=a(y)e-b(y)x+k(y)x+c(y)(2)计算出各影响因素取不同值时的各种组合下的变形场的各参数,可得单条火路的水火弯板变形场的基本规律。本文得到了船用碳钢,4号火工喷嘴,表面温度控制在750±20℃,上表面水冷时的变形场描述参数与主要参数间的变化关系,其中板宽900mm及2100mm,加热线长为0.1倍板宽,乙炔流量为2600L/h时由式2计算出的角变形与影响参数间的规律如图8、图9所示。2加工工艺参数确定模型由上述的水火弯板的主要影响因素与变形间的关系可以确定加工参数。在以住的研究中,确定加工参数的方法可分为三类:经验法、几何法和变形法。经验法指,依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。这种方法见于纪卓尚、刘玉君等的研究中。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。如ChangDooJang及SungChoonMoon的研究。变形法则根据应变场确定火路布置及其余加工工艺参数,如Letcher、LeeJ.S.等。本文按照变形法的基本原理,根据上面得出的单火路的变形规律确定了多火路叠加确定加工工艺参数的算法。欲加工成形的板及预辊压板如图10所示。设欲加工成形的板的曲面方程为z=f(x,y),板厚为th,宽为w,预辊压曲率半径为R0,第i条火路产生的曲面形状由th,w,Vata,Vf,L等参数决定,即zi=f(x,y,th,w,Vata,Vfi,Li…),则使各单火路曲面叠加成的曲面和欲加工的曲面的误差在允许范围内的各参数即为一组可行解,即使式成立的Vatai,Li,Vfi(i=1～n)及相应的火路位置即为一组可行解。确定一定的目标函数及其余约束条件后,如总加工时间最短、乙炔流量保持衡定、最高加热温度保持某定值等,即可得水火弯板的加工工艺参数确定模型。对此模型,本文编写的相应的计算程序,并进行了实板试验,结果表明工艺参数的确定基本准确。3确定加工参数的算法本文通过实验与数值模拟