大型復(fù)雜船體分段焊接變形研究

丁振斌 朱元偉 王 波 賈曉丹

1海軍駐武昌船舶重工有限責(zé)任公司軍事代表室，湖北 武漢 430060

2武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060

大型復(fù)雜船體分段焊接變形研究

丁振斌1朱元偉2王 波2賈曉丹2

1海軍駐武昌船舶重工有限責(zé)任公司軍事代表室，湖北 武漢 430060

2武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430060

為了預(yù)估大型復(fù)雜船體分段的焊接變形，運(yùn)用熱彈塑性法計(jì)算典型結(jié)構(gòu)的焊接變形，得出典型船體分段的固有應(yīng)變，采用固有應(yīng)變法計(jì)算該船體分段焊接變形，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：采用固有應(yīng)變法計(jì)算大型復(fù)雜船體分段的焊接變形是可行的；船體分段焊接變形呈現(xiàn)整體外張的趨勢(shì)，且兩舷側(cè)邊緣位置的焊接變形量最大。

熱彈塑性法；固有應(yīng)變法；焊接變形；船體分段

1 引言

在船舶、橋梁、火車、汽車、化工容器、衛(wèi)星發(fā)射塔架和建筑等工程領(lǐng)域，不僅其工程結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且許多部件與結(jié)構(gòu)件均采用焊接連接。焊接過(guò)程中，受焊接熱源和焊接熱循環(huán)的作用以及外界環(huán)境溫度的影響，使得焊接部位或構(gòu)件受熱不均勻，導(dǎo)致冷卻時(shí)收縮量和收縮速度不同，產(chǎn)生焊接變形［1－2］。 在焊接大型復(fù)雜船體分段時(shí)，有時(shí)因焊接變形過(guò)大而導(dǎo)致返工修正，嚴(yán)重的焊接變形還可能因達(dá)不到工程實(shí)際要求，造成浪費(fèi)和工期延誤［3－4］。 因此，有必要對(duì)大型復(fù)雜船體分段進(jìn)行焊接變形研究。

目前，數(shù)值模擬方法給焊接變形研究提供了有效的工具，而常用的數(shù)值方法有固有應(yīng)變法和熱彈塑性有限元法［5－6］。本文應(yīng)用有限元商用軟件ABAQUS，采用固有應(yīng)變法，以某船體分段為研究對(duì)象，按現(xiàn)行裝焊工藝方案的焊接順序與焊接規(guī)范參數(shù)所產(chǎn)生的焊接變形進(jìn)行仿真模擬，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了采用固有應(yīng)變法對(duì)大型復(fù)雜船體分段的焊接變形進(jìn)行仿真模擬的可行性。

2 典型結(jié)構(gòu)的熱彈塑性仿真模擬

焊接過(guò)程中將產(chǎn)生塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變等，焊接結(jié)束后這些應(yīng)變的殘余量之和稱為固有應(yīng)變。固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近，固有應(yīng)變的大小和分布決定了焊接變形和殘余應(yīng)力。若能確定固有應(yīng)變大小和分布，將焊接后的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變依次施加到結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行一次彈性有限元計(jì)算，就可以得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形［7］。

基于以上理論，針對(duì)船體分段中典型的3個(gè)對(duì)接焊結(jié)構(gòu)、9個(gè)角接焊結(jié)構(gòu)、骨材與肋板之間的6個(gè)立焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱彈塑性仿真計(jì)算［8］。圖1、圖2所示為仿真計(jì)算過(guò)程中所用的材料參數(shù)［9］，從中提取固有應(yīng)變，為船體分段焊接變形的仿真分析提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。根據(jù)現(xiàn)行焊接參數(shù)得到的部分對(duì)接、角接和立焊結(jié)構(gòu)的固有應(yīng)變?nèi)绫?所示。

3 有限元建模

3.1 幾何建模和網(wǎng)格劃分

表1 部分典型焊接結(jié)構(gòu)固有應(yīng)變值Tab.1 Inherent strain values of partial typical welding structure

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件，根據(jù)某船體分段結(jié)構(gòu)圖紙中各構(gòu)件的尺寸、規(guī)格，以及構(gòu)件之間的裝配關(guān)系，建立該分段的有限元幾何模型。

由于該船體分段的構(gòu)件種類和數(shù)量較多，構(gòu)造復(fù)雜，為了能較真實(shí)地反映焊縫附近區(qū)域的變形情況，在模型網(wǎng)格劃分之前，首先對(duì)模型進(jìn)行剖分，將焊縫區(qū)域分離出來(lái)，以利于固有應(yīng)變的加載與焊縫區(qū)域網(wǎng)格的生成。整個(gè)模型使用S4R殼單元［10］，網(wǎng)格劃分后的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為 35 045，單元總數(shù)為34 314。其分段有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

3.2 邊界條件和載荷處理

為模擬裝配與焊接施工過(guò)程中的胎架點(diǎn)焊固定情況，建模過(guò)程中根據(jù)實(shí)際點(diǎn)焊位置，進(jìn)行3個(gè)方向的位移約束。

焊接過(guò)程中將產(chǎn)生塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變等，焊接結(jié)束后三者的應(yīng)變殘余量之和稱為固有應(yīng)變。即

式中，｛εP｝為塑性應(yīng)變；｛εt｝為熱應(yīng)變；｛εx｝為相變應(yīng)變。

若不考慮相變應(yīng)變，并且焊縫區(qū)域經(jīng)由加熱和冷卻過(guò)程后，熱應(yīng)變最終為零，固有應(yīng)變即為殘余的塑性應(yīng)變。

根據(jù)分段的對(duì)接焊、角接焊和立焊結(jié)構(gòu)的焊接工藝參數(shù)，將熱彈塑性有限元方法計(jì)算得出的塑性殘余應(yīng)變?chǔ)舙沿焊縫截面進(jìn)行積分，分別得到該截面處縱向固有應(yīng)變之和Wx、橫向固有應(yīng)變之和 Wy，即

式中，Ax代表垂直于焊縫的截面。

焊接變形取決于固有應(yīng)變的大小和分布，Wx和Wy與焊接線能量Q有關(guān)，設(shè)

其中，K、ξ可通過(guò)熱彈塑性有限元分析得到。因此，式（2）、式（3）可通過(guò)式（4）、式（5）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的固有應(yīng)變值，作為仿真計(jì)算載荷，并按照實(shí)際焊接順依次加入有限元仿真模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝焊工藝方案的數(shù)值模擬。

重力作用的影響在分段建造各階段中考慮，并以重力場(chǎng)的方式加載到質(zhì)量單元上。

3.3 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

該船體分段從構(gòu)件拼裝到拆除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由4個(gè)典型階段組成：殼板上胎架、完成結(jié)構(gòu)安裝；分段內(nèi)部的板材與骨材焊接；分段從胎架上移出、翻身，外板封底焊；分段上船臺(tái)，拆除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接順序?yàn)椋簝?nèi)殼板對(duì)接焊、殼板上的橫向構(gòu)件由船中向兩舷對(duì)稱進(jìn)行焊接，縱向構(gòu)件由船中向兩舷對(duì)稱進(jìn)行焊接、外殼板封底焊。

采用固有應(yīng)變法仿真計(jì)算時(shí)，為了能反映船體分段的實(shí)際焊接變形情況，分別針對(duì)這4個(gè)階段進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出分段的焊接變形如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)分段內(nèi)殼板對(duì)接焊完畢，分段對(duì)接焊縫附近位置發(fā)生較大焊接變形，向外延伸的縱骨位置最大變形為3.78 mm，遠(yuǎn)離對(duì)接縫位置的變形接近于零；當(dāng)結(jié)構(gòu)焊接完畢，分段殼板、肋板等均發(fā)生了明顯的焊接變形。但由于胎架和工藝加強(qiáng)槽鋼的約束，以及邊界條件的限制，分段殼板的整體變形均小于5 mm。

由圖4（b）中還可以看出，船體分段中有的部分發(fā)生外張變形，有的部分發(fā)生內(nèi)收變形，也有局部板格間出現(xiàn)波浪狀向內(nèi)凸起變形。對(duì)比圖4（c）和（b）不難發(fā)現(xiàn)，分段整體變形略呈外張趨勢(shì)，但由于該過(guò)程中未去掉工藝加強(qiáng)構(gòu)件，分段變形趨勢(shì)不明顯；但是，當(dāng)分段上船臺(tái)并拆除加強(qiáng)后，分段發(fā)生較大的外張變形。由圖4（d）可知，變形的峰值接近9 mm，其中兩舷側(cè)的邊緣位置處變形量最大。這是因?yàn)楣に嚰訌?qiáng)結(jié)構(gòu)拆除后，工藝加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)船體分段的約束被釋放，導(dǎo)致分段中應(yīng)變能釋放，彈性變形和部分塑性變形得到恢復(fù)，從圖3中也可以看出，因只有2組工藝加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)舷側(cè)的邊緣處約束較少，故變形量最大。

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為掌握船體分段線型在各個(gè)施工階段的變形情況，在內(nèi)場(chǎng)胎架上施工時(shí)，預(yù)先用樣條在分段兩舷殼板的內(nèi)表面 ＃33＋100、＃36 肋位和 ＃38 肋位處的距基線1 000 mm、2 200 mm、3 000 mm的位置，分別用激光打出洋沖點(diǎn) A1和 A2、B1和 B2、C1和 C2；A1′和 A2′、B1′和 B2′、C1′和 C2′；A1′和A2′、B1″和 B2″、C1″和 C2″，如圖 5 所示。

在各階段施工完畢24 h后，待分段中應(yīng)力應(yīng)變釋放穩(wěn)定后，采用“分段寬度測(cè)量法”測(cè)量圖5所示的相應(yīng)兩點(diǎn)間的寬度值。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，將現(xiàn)行裝焊工藝方案的船體分段測(cè)量變形值與相應(yīng)位置處的計(jì)算變形值進(jìn)行比較。由變形云圖及數(shù)據(jù)可知，分段尚未拆除工藝加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，殼板各處的變形十分微小，故只列出分段在拆除加強(qiáng)結(jié)構(gòu)之后的最終焊接變形結(jié)果，如表2所示。

表2 分段焊接變形結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparision of welding deformation results for subsection

由表2可知，船體分段的計(jì)算與實(shí)測(cè)焊接變形趨勢(shì)是一致的，且數(shù)值較為吻合。船體分段的最終焊接變形整體出現(xiàn)外張，距基線3 000 mm的3檔肋位處分段寬度變化值最大，距基線1 000 mm、2 200 mm位置處的分段寬度變化均不大。由此可見，采用固有應(yīng)變法對(duì)大型復(fù)雜船體分段進(jìn)行焊接變形數(shù)值仿真計(jì)算是有效的。對(duì)于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，采用該計(jì)算方法能夠快速地實(shí)現(xiàn)多種熱輸入和多種焊接工藝條件下的焊接變形計(jì)算，解決了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接試驗(yàn)高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的難題。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，采用固有應(yīng)變法按現(xiàn)行裝焊工藝方案的焊接順序與焊接參數(shù)對(duì)某船體分段的焊接變形進(jìn)行了仿真模擬，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下主要結(jié)論：

1）通過(guò)熱彈塑性仿真計(jì)算得到的固有應(yīng)變，可作為船體分段焊接變形仿真計(jì)算的載荷輸入數(shù)據(jù)。

2）實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果均表明，船體分段焊接變形整體呈外張趨勢(shì)，且兩舷側(cè)邊緣位置的焊接變形量最大。

3）對(duì)比焊接變形實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果，得知分段變形趨勢(shì)一致，變形數(shù)值較為吻合，表明采用該固有應(yīng)變法計(jì)算和研究大型復(fù)雜船體分段的焊接變形是可行的。

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Welding Deformation of Large-Complex Ship Subsection

Ding Zhen－bin1Zhu Yuan-wei2Wang Bo2Jia Xiao-dan2
1 Military Representative Office in Wuchang Shipbuilding Industry Co.Ltd， Wuhan 430060， China
2 Wuchang Shipbuilding Industry Co.Ltd，Wuhan 430060， China

For prediction on welding deformation of large and complex ship subsection， thermal elasticplastic method was employed to obtain inherent strain from simulating welding deformation of typical structures.And inherent strain method was adopted to simulate the welding deformation of ship subsection.The results were compared and verified with the actual measurement.The conclusion indicates that using inherent strain method to simulate the welding deformation of large and complex ship subsection is feasible， and welding deformation of ship subsection exhibits phenomena of completely stretching out，where deformations at the edge of broadside are the largest.

thermal elastic－plastic method； inherent strain method； welding deformation； ship subsection

U671.8

A

1673－3185（2011）03－79－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.017

2010-06-28

海裝型號(hào)科研項(xiàng)目

丁振斌（1969－），男，高級(jí)工程師。研究方向：船體結(jié)構(gòu)焊接。E-mail：dingzhenbin1207＠sina.com

朱元偉（1983－），男，碩士，助理工程師。研究方向：船體結(jié)構(gòu)焊接。E-mail：zhuyuanwei2006@163.com