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大型船体结构焊接变形的数值仿真

张群  
【摘要】:众所周知,焊接技术在现代船舶工业中的地位变得越来越重要,焊接技术水平对提高船舶焊接生产效率、缩短船舶建造周期、降低成本、提高企业竞争力具有举足轻重的作用。而在焊接过程中焊接变形不但备受重视而且又是难以控制的环节。焊接变形造成焊件形状尺寸改变,当受到工作载荷作用时,焊接变形产生的附加弯矩和应力集中现象是造成船舶结构早期失效的主要原因。因此,预测及控制焊接变形已经是实际生产中必须要解决的问题。 预测大型复杂焊接结构的焊接变形必须解决两个问题。其一是要保证足够的预测精度,其二是要节约运算时间和成本。焊接热弹塑性有限元法在焊接数值模拟中得到广泛应用。但它需要的计算时间长、计算规模大,目前只适用于焊接接头及较小结构的焊接行为力学分析,因而用于预测大型复杂结构焊接变形时还有限。 本文采用日本学者提出的残余应力之源的固有应变的理论,开展大型复杂船体结构的焊接变形预测研究工作。固有应变法是一种相对快速的、有效的、近似的方法,并能够得到一定准确度的焊接变形值,为确定反变形量提供一种有力的、新的计算工具。这种方法具有非常大的工程实用意义和发展前景。需要注意的是,固有应变法是建立在船体结构焊接的固有应变数据库基础之上,固有应变数据库是确保预测焊接变形结果准确的前提。 本文算例采用基于固有应变预测法和弹性板单元有限元法,利用焊接结构变形专用预测软件Weld_sta对研究对象进行焊接变形模拟计算,预测其焊接变形。固有应变预测法是在大量的计算和实测数据基础上,整理得到简化的以板厚为参数的固有应变计算公式,并建立船体结构焊接的固有应变数据库,为预测大型复杂船体结构的焊接变形提供可能。 研究结果表明,基于固有应变法的专用焊接软件Weld_sta可以成功预测大型复杂船体结构的焊接变形,为确定反变形量和精度造船的实现提供一种新计算工具,为预测大型复杂结构的焊接变形提供一种新的思路和方法。 通过以上的工作基本实现了大型复杂船体结构焊接变形的预测模拟,由于焊接过程的复杂性,考虑影响焊接变形的因素不够全面,还存在一定的差距,仍然需要进行深入的研究。


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