船体结构焊接变形的力学分析法探究

船体结构焊接变形的力学分析法探究

张庆1乐挺1徐宝居2

1.沪东中华造船集团上海江南长兴造船有限责任公司生产运行部;2.上海航天能源股份有限公司

摘要：船体结构在进行焊接过程中需要注意的事项较多，经常受其多种因素影响，造成焊接变形，影响整体的质量。本文从当前的力学分析法对船体结构焊接变形数值产生的影响入手，深入分析其产生的残余应力，以供相关人员参考。

关键词：船体结构；焊接变形；力学分析法

引言：在当前的船舶建造过程中，应保证其具有良好的精度控制，灵活应用当前的核心技术，实现精准的分段结构补偿量测量，为焊接奠定基础。焊接变形量始终是当前国内学者研究的重点与难点，通过合理的技术创新，促使其在成本、数模拟效率以及精度上实现创新。

一、力学分析法对船体结构焊接变形数值产生的影响

船体结构主要包括当前的肋骨、横梁以及肋板组成，形成整体的钢架，将其进行合理的结构简化后形成杆或者梁模型，并结合实际情况采用有效的方法计算其变形数值。如当前的有限元结构力学法，主要是通过建模、边界条件分析、初始条件分析以及加载外力，求出有限元数值，分析其在外力的作用下产生的变形数据。在实际焊接过程中，其焊接结构在经历不均匀加热与冷却后，导致结构单元中出现残余应变，最终造成焊接变形。焊接变形包括扭曲变形、收缩变形以及剪切变形等多种，通过力学分析法，可以有效的对其进行分析，深入了解当前焊接结构中焊缝替代残余应力情况，并作为外载，对整体产生的变形影响，实现对焊接复杂、非线性的热分析过程进行分析，满足实际的需求。与此同时，在焊接过程中船体结构存在大量的焊缝，并且其角头角较多，灵活应用力学分析法可以深入进行分析，明确其焊接数值产生的变化[1]。

二、船体结构焊接变形的力学分析法

（一）焊接残余应力的分布

在进行残余应力分析过程中，通过实践腹板为100mm×500mm×10mm,翼板尺寸为200mm×500mm×10mm的角焊缝为例，通过有限元进行模拟，获取残余应力，通过测量仪进行测量。测量发现当前的残余应力分布越到中部其应力越平坦变化，如果其角焊缝加长，则平坦变化更为明显。在实际的焊接过程中，其产生的变形大小与当前的刚度存在一定的关系，受此影响，不可以将当前的焊角弹性位移进行直接加载，但可以灵活利用其位移产生的数据进行计算，通过计算得出的残余应变数值进行加载。通过数值分析，可以明确其产生的变化，对实际焊接中产生的残余应变分布特征进行分析，如通过节点的残余应变进行节点计算，通过其基点距离画出分布图，明确其变化[2]。

（二）焊接残余应力加载

实际上当前的焊接变形力学分析法主要是通过焊接过程中产生的残余应力作为外载加载在结构上焊缝对应部位，并将其残余应变作为初始位移进行加载，灵活利用有限元法进行计算，满足分析要求。残余应力的分布具有不均匀特点，并且属于面力，在进行结构单元划分过程中，难以保证其单元划分焊缝尺寸符合，由此，需要将当前的面力进行转化，转化为相对应结构的相应线力，并分析其横向、纵向存在的收缩变形，根据要求明确其基础面的大小，利用模块弹塑性力学模拟进行确定，实现等效的转化。在实际应用过程中，灵活利用力学中虚功原理将线力进行转化，并促使其转移至指定节点，通过焊缝邻近节点作为指定，进行结构位移矩阵设计，利用虚位移向量明确焊缝处网格划分的面积，并计算出内节点力对虚位移产生的功。

（三）焊接残余应变的加载分析

以当前的模拟精度为基础，保证其模拟效率符合要求，并且由于有限元分析自身的限制，难以实现细小划分，导致其需要将当前网格中产生的残余应变进行细化，并合理进行转化，转化为当前粗化网格中的初始应变，满足实际的需求。获得焊缝处细化残余应变，应灵活利用结构力学中初始位移原理，将肋板接头当做支座，实现残余应变的等效加载，并进行合理的计算。例如，下图为实际的残余应变等效示意图，如图1所示。

图1残余应变等效示意图

（四）对船体分段结构焊接变形分析

在分析过程中，以实际的某货船为例，该货船层底分段长为l1700mm×13800mm×1200mm,其纵析间距为3000mm、横骨架式，肋矩840mm,,外板厚22mm,纵析厚14mm,肋板厚12mm内底板厚14mm。灵活应用当前的力学分析法进行分析，通过有限元进行建模，划分表格，并进行坐标与节点的契合，实现自动捕捉，最终确定边界条件。在进行模型位移基准测量时从左侧与前侧端来时，通过角焊缝残余应力进行转化，实现焊缝节点的转化，转化为载荷，最终确定其残余应变，将其作为初始应变，形成自动加载程序。通过实际的案例分析，当前的肋骨变形相对比下其底板变形较小，远远小于肋骨变形，并据具有明显的局部特征，焊接结构纵向收缩变形。通过横向收缩变形与纵向收缩变形相对比，其数值相差较大，如案例中其横向变形值约为5.222mm,而纵向的变形值约为35.241mm，其主要的原因在于当前的结构长度方向肋骨布置数量较多，并大于宽度方向的纵向数量，最终造成其结果。与此同时，可以根据其实际的变化趋势进行判断，如纵向的收缩量的分布呈现出不均匀趋势，并且其两端的收缩量趋势较大，造成该种趋势与当前薄板焊接呈现出明显的对比，由此可以证明其底板刚度合理[3]。

结论：综上所述，灵活应用当前的力学分析法进行分析，可以有效的明确船舶结构焊接变形，并分析其实际的原理，明确船体结构焊缝布置特点与虚功原理，分析其残余应变的转化与节点的变化，促使其精度、模拟效率以及实用性上实现突破，为我国的船舶制造行业发展奠定良好的基础，适应时代的发展，满足当前的需求。

参考文献：

[1]李磊,王鹏宇,戴凯云.大型船体舷侧分段装焊顺序仿真及其变形预测研究[J].热加工工艺,2018,47(23):206-211.

[2]李磊,戴凯云,王鹏宇.基于SYSWELD的船体结构焊接工艺仿真及优化[J].机械设计与制造,2016(10):137-141.

[3]喻琪,陈震.船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析[J].舰船科学技术,2016,38(11):47-51+80.