大型船舶結構焊接變形固有應變法預測研究

王建興

摘 要：近些年來，伴隨著船舶的逐漸大型化，對船舶結構的穩定性提出了更高的要求，而焊接質量會在很大程度上影響船舶的結構強度，例如焊接材料匹配、焊接參數選擇、焊接溫度控制以及焊接變形處理等，都會嚴重影響船舶的安全性與穩定性，因此，計算的精細化以及高水平的工藝和操作保證等都是控制船舶焊接質量的關鍵。目前，焊接技術作為現代工業中極其靈活、常見的一種連接技術，其更是受到了社會各界的密切關注，越來越多的技術人員已經投身到相關課題的研究中，本文也主要針對固有應變法的基本概念、具體方法等方面的內容進行分析，希望能為船舶結構穩定性的提升提供一定的幫助。

關鍵詞：大型船舶； 焊接變形； 應變法

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2017）08-0154-02

Abstract：in recent years， along with the ship gradually large， put forward higher requirements on the stability of ship structure， and the welding quality will affect the strength of ship structure to a great extent， such as welding materials， welding， selection， temperature control and welding deformation of welding parameters， will seriously affect the safety of and stability， so the calculation of ship， fine and high levels of technology and operation are the key to ensure the welding quality control of ship. At present， as the connection of welding technology in modern industry is extremely flexible， a common technique， which is paid close attention by all sectors of society， more and more technicians have devoted themselves to the related research， the basic concepts， this paper mainly aims at the inherent strain specific methods such as content analysis， hope can provide some help for the improvement of ship structure stability.

Key Words：large ship； welding deformation； strain method

焊接變形是影響船舶使用壽命與應用效果的因素之一，如何有效控制焊接變形一直是工業開展中亟需解決的一個重要問題，而我國技術人員對于該問題的解決主要從兩大方面入手，第一是有效提升計算精度，第二則是降低時間成本。目前，固有應變法在船舶結構焊接中得到了十分廣泛的應用，但是其也不可避免地存在一定的缺點，例如計算效率低、成本高等。因此，其在大型船舶中的應用十分有限，所以，相關的技術人員應該加強對該方法的完善與改進，有效提升計算效率，控制結果準確性[1]。

1提升焊接變形計算精度的具體方法

1.1結構簡化

結構簡化對于降低計算難度、提升計算精度來說起著非常重要的作用，其中對稱模型在結構簡化中具有非常廣泛的應用，在該模型中，其只需要焊接結構的一半，然后再利用對稱原理完成另一半的焊接，其能夠有效簡化工程操作，減少技術人員的工作量，然而在該方法的應用過程中，應該注意部分焊接前不對稱而焊接后對稱的結構，例如在T型結構中，技術人員就需要通過有效控制溫度系數，從而保證結構兩邊焊縫的精度。目前，我國對于焊接系數的標準體系還不夠完善，且實驗數據的精確度也相對較低，這使得該方法存在較大的局限性，但是其對于提升計算精度的作用還是不容忽視。

1.2模型簡化

在大型船舶結構的焊接中，其往往通過組合焊接的方法實現模型的簡化，首先，技術人員需要對焊道進行焊接；其次，在簡單的焊道模型基礎上進行結構的受力分析，保證結構受力的穩定性，例如通過平面模型代替立體模型就能夠有效簡化計算步驟，降低計算難度，提升結果的精確度，并且通過平面模型的分析，能夠將得到的數據進行轉化表達，從而達到同樣的分析目的，降低運算成本；最后，對于結構復雜的模型，該種方法的簡化作用則更加明顯，例如通過板殼單元計算結構的變形程度就能夠有效降低工作人員的計算成本。總而言之，模型簡化對于計算精度的提升來說起著非常重要的作用。

1.3并行計算技術

該技術主要適用于結構網格的重新規劃與分析中，其能夠有效提升計算效率，并且能夠使得大量的網格跟隨著熱源的具體位置偏移，并在誤差范圍偏大的情況下自動重新規劃，直到所有網格的距離控制在合理的范圍內。在該分析方法中，之前網格的位置分布需要映射到新結構中，從而為進一步的分析與計算奠定基礎，目前，該方法在結構焊縫的激光焊接中具有十分廣泛的應用，其能夠有效消除結構在焊接過程中產生的瞬態應力誤差，同時忽略在溫度變化時網格距離的改變，從而有效保證結構穩定性。目前，該方法的應用難度主要體現在需要有效提升設備的整體性能，為該種計算技術的應用提供一個良好的平臺。

2大型船舶結構焊接變形固有應變法的具體應用

2.1有限元法

有限元法是大型船舶焊接變形分析中十分常用的一種方法，但是其也不可避免地存在一定的缺點，例如成本偏高、效率偏低等，因此，為了有效提升分析效率，技術人員往往根據結構的具體精度要求選擇不同的分析模型，在傳統的計算方法中，其一般使用平面模型，但是伴隨著我國計算機技術水平的高速提升，立體模型也逐漸投入使用。目前，我國的有限元法的計算準確度雖然較高，但是由于計算機設備水平的局限性，使得該種方法的大范圍普及與推廣存在一定的局限性，因此，當下該方法一般應用于較為簡單的結構模型中，對于復雜的結構該種方法并不具有適用性。在實際的焊接作業中，例如對于碳鋼的焊接來說，由于結構局部的高速升溫，使得該部位膨脹拉伸，而未加熱的部位則無法自由拉伸，其對結構局部的形變產生一定的約束性，這會對結構的穩定性造成很大的威脅，因此，這要求相關的技術人員需要挖掘固有應變的變化規律，通過有限個單元的計算分析結構的受力情況，從而提升結構的安全性與穩定性。

2.2初應變法

若需要對結構的受力情況進行分析，那么就需要通過計算固有應變值以及其具體的分布情況，即可獲得準確的結果，在實際應用中，技術人員一般是在結構中明確一個矩形區域，然后將固有應變施加于該結構中，使得壓力能夠根據結構的具體方向呈現線性分布的特征，例如在T型梁的焊接變形中，如圖1，相關的技術人員就需要對T型梁結構中固有應變的具體分布以及分布規律具有詳細的掌握，使得在特定的數據范圍內，固有應變值以及偏心距不發生變化，則就可以有效控制計算精度。

2.3 ANSYS 軟件的應用

伴隨著計算機技術水平的高速提升，計算機軟件在船舶結構焊接變形分析中的應用越來越廣泛，計算機的應用能夠有效保證計算精度，提升工作效率，減少工作人員的計算負荷。在計算機軟件的應用中，ANSYS 軟件的應用尤為廣泛。首先，技術人員需要在軟件中輸入各種材料的熱膨脹系數、計算公式以及分布規律等參數，使得技術人員能夠對焊接過程中結構產生的形變具有明確的控制；其次，技術人員需要將應變載荷施加于焊接位置以及周圍的結構單元上，并對其進行相關的分析，獲得準確的形變代入值，在此過程中，技術人員應該注意對于不具有形變的結構單元其熱膨脹系數應該明確為零；最后，技術人員需要對整體的焊接工程進行全面的監控，記錄每個時刻各個結構位置的固有應變值，從而為后期的檢查工作提供一定的數字依據，挖掘固有應變的具體分布規律，有效保證船舶結構的焊接質量。焊接作業的本質就是將單位結構迅速升溫，然后再迅速冷卻，結構的溫度變化與熱源的具體位置具有非常緊密的聯系，因此，這要求相關的技術人員需要嚴格控制結構固有應變的具體情況，通過ANSYS 軟件的應用，有效保證結構穩定性。

在ANSYS 軟件中，其無法將固有應變直接施加于船舶的結構單元中，因此，技術人員往往是通過結構的具體位置坐標，分析在不同的材料方向中固有應變的具體情況，挖掘其實際變化規律，從而實現準確的固有應變施加。在一般情況下，全部單元結構的固有應變值都是一樣的，但是其分布卻是不明確的，并且結構兩端受到的約束力普遍偏小，但是技術人員也不可對其忽略不計，否則其會使得計算結果與實際情況產生較大的偏差，這要求相關的技術人員需要建立多樣的材料模型，并且使用對應的單元數據，雖然這會在很大程度上增大工作人員的工作負荷，但是其對于計算精度的保障具有較大作用[2]。除此之外，技術人員也可以通過在同一材料基礎上加載不同的溫度分布，從而計算出準確的固有應變值，有效保證船舶結構的穩定性與安全性。

3結論

綜上所述，可靠、有效的固有應變預測方法對于船舶結構的穩定性與安全性來說起著非常重要的作用，因此，這要求相關的技術人員應該采取必要的措施加強對固有應變預測法的分析，并在ANSYS軟件的應用基礎上，有效利用軟件提供的大量膨脹系數，并通過單位固有應變，使得溫度荷載按照一定的規律分布，解決固有應變分布不均勻的問題，從數據積累來實現焊接控制，從而為船舶結構的穩定性提供一定的保障，保證船舶的順利、安全通行，避免安全事故的發生對日常通航造成的負面影響。

參考文獻

[1]夏洋.焊接變形的高精度測量方法及預測方法研究[J].機械工程學報，2016（05）.

[2]王陽.慣性釋放法在大型復雜結構焊接變形預測中的應用[J].船舶力學，2016（09）.