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基于感应加热的加筋薄板结构焊接变形矫平工艺研究

王政辉  
【摘要】:焊接作为目前船舶建造过程中最常见的连接手段,由于具有温度高且分布集中的特点,往往会使得焊件在焊后存在一定程度的焊接变形和残余应力。为了不影响焊接构件的正常使用和船舶的美观性,一般都需要采用热矫平的方法,对焊件进行焊接变形的矫平和残余应力的消除。传统方法是采用火焰加热,但由于火焰加热热效率低,不易控制,尤其是对薄板的矫正效果较差,人们逐渐将具有“集肤效应”的电磁感应加热技术应用到船舶建造当中,该技术对于薄板的焊接变形具有良好的矫正效果。薄板在船舶上层建筑被广泛应用,但薄板由于焊接而产生的变形往往更加多变、复杂。为了能够使得薄板结构的焊接变形得到有效的矫正和控制,本文选用移动的感应加热器作为热矫平热源,并选用船舶建造当中最常见的加筋板结构作为研究对象,基于ANSYS有限元数值模拟软件,建立加筋板结构的焊接有限元模型和移动式感应加热有限元模型,进行数值模拟计算,获得焊接温度场、感应加热温度场、焊接变形场和感应加热变形场。首先研究了感应加热温度分布规律和钢板面板厚度d、感应加热的电流大小I、电流频率f、感应器的移动速度v,四个感应加热参数对于加热温度的影响规律,并对沿垂直加热线方向的温度分布,用高斯函数进行拟合,获取函数特征参数,基于支持向量机算法(SVM-Support Vector Machine),建立数学预测模型,实现了对特征参数的准确预测,为感应加热温度场分布规律的研究提供了新的思路;其次,对加筋板结构的焊接变形和感应加热变形的变形特点和变形形式进行了研究,并基于SVM建立了以d、I、f为输入量,以感应加热矫正量为目标函数的数学预测模型,最终实现了对感应加热矫正量进行准确预测的目的,结果表明基于SVM的数学预测模型,能够较好地解决感应加热温度预测和感应加热矫正量预测等高维的非线性问题;最后,对存在焊接变形的加筋板结构,在考虑焊后残余应力的基础上,进行感应加热矫正,针对不同的板厚,寻找最佳的感应加热参数,并从最终变形量大小与焊接变形量的对比、感应加热过程对于结构内部纵向残余应力分布的影响,这两个方面对矫正效果进行描述,结果表明可以通过调整感应加热参数,对薄板的焊接变形进行有效矫正。


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