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船体曲面钢板完全线加热成形研究

张雪彪  
【摘要】:目前造船业中普遍采用的船体曲面钢板成形的典型工艺是水火弯板,国外也称作线加热(line heating)。传统的成形方法分两个阶段进行:钢板先在辊弯机床上进行沿钢板短边方向的辊弯成形,形成横向弯曲变形,而后把钢板运到水火弯板工位进行水火加工,出现沿长边方向的纵向弯曲变形,使钢板成形为设计要求的三维曲面形状。这样两阶段的不同成形手段的成形过程不适合船体板成形的自动化,而且两阶段的成形过程都需要经验丰富、技术熟练的造船工人来完成,由于板材的回弹特性,使板材在辊弯过程中的过弯量不容易掌握。 基于上述问题,本文主要研究取消机械辊弯的完全线加热方式把平板成形为三维曲面板的过程设计方法。完全线加热的成形方式既可以实现钢板弯曲成形的自动化,而且能够避免上述问题,提高加工质量。 本文的研究目的是要开发一个船体曲面钢板完全线加热成形设计系统。为此,本文提出了一个船体板成形的设计方法,即利用曲率分析方法改变船体板两阶段的成形为完全线加热成形过程。首先,船体板用B样条曲面进行数学表达,而后计算曲面的主曲率,按照等弯曲角变形的思想布置弯曲加热线,并根据工艺参数和变形的关系数据给出适当的等弯曲变形量;这样,通过水火弯板过程使船体板获得横向的弯曲成形;下一步,沿钢板的长度方向在板边或板中再进行收缩的线加热成形,得到所要成形的帆形曲面钢板或鞍形曲面钢板。这样就实现了完全线加热成形的全过程。 本文开发了一个非线性瞬态间接耦合的热—结构分析的三维有限元模拟模型,数值模拟结果和实验测量值一致。在分析实验数据的基础上,提出了综合反映热源参数的体功率模型;并且尝试把这个复合变量作为水火弯板工艺参数和变形关系的自变量。通过数值模拟分析了水火弯板影响参数对于变形的影响关系,总结出横向弯曲成形的主要影响参数是燃气流量、热源速度和钢板尺寸,纵向收缩成形的主要影响参数是燃气流量、热源速度和加热线长度。基于参数研究结果,通过合理的数值模拟试验获得两种线加热成形的工艺数据,从而省去大量的实验测试工作。 在获得大量工艺参数数据的基础上,建立水火弯板加工过程中工艺参数与变形之间的数学模型,是水火弯板研究的核心内容。水火弯板过程机理复杂,有很多因素影响最后的残余变形,而且影响关系是非线性的,在形成水火弯板数学模型时,若各个影响参数独立参与建模,则需要建立系列的数学模型。因此,采用热源的体功率作为水火弯板回归公式中的自变量,可以涵盖多种燃气流量、系列板厚条件下的水火加工成形。然


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