大型復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任公司軍事代表室，湖北 武漢 430060

2武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢 430060

大型復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任公司軍事代表室，湖北 武漢 430060

2武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢 430060

為了預估大型復雜船體分段的焊接變形，運用熱彈塑性法計算典型結構的焊接變形，得出典型船體分段的固有應變，采用固有應變法計算該船體分段焊接變形，并與實測結果進行對比驗證。結果表明：采用固有應變法計算大型復雜船體分段的焊接變形是可行的；船體分段焊接變形呈現整體外張的趨勢，且兩舷側邊緣位置的焊接變形量最大。

熱彈塑性法；固有應變法；焊接變形；船體分段

1 引言

在船舶、橋梁、火車、汽車、化工容器、衛星發射塔架和建筑等工程領域，不僅其工程結構十分復雜，且許多部件與結構件均采用焊接連接。焊接過程中，受焊接熱源和焊接熱循環的作用以及外界環境溫度的影響，使得焊接部位或構件受熱不均勻，導致冷卻時收縮量和收縮速度不同，產生焊接變形［1－2］。 在焊接大型復雜船體分段時，有時因焊接變形過大而導致返工修正，嚴重的焊接變形還可能因達不到工程實際要求，造成浪費和工期延誤［3－4］。 因此，有必要對大型復雜船體分段進行焊接變形研究。

目前，數值模擬方法給焊接變形研究提供了有效的工具，而常用的數值方法有固有應變法和熱彈塑性有限元法［5－6］。本文應用有限元商用軟件ABAQUS，采用固有應變法，以某船體分段為研究對象，按現行裝焊工藝方案的焊接順序與焊接規范參數所產生的焊接變形進行仿真模擬，并與實測結果進行比較，驗證了采用固有應變法對大型復雜船體分段的焊接變形進行仿真模擬的可行性。

2 典型結構的熱彈塑性仿真模擬

焊接過程中將產生塑性應變、熱應變和相變應變等，焊接結束后這些應變的殘余量之和稱為固有應變。固有應變存在于焊縫及其附近，固有應變的大小和分布決定了焊接變形和殘余應力。若能確定固有應變大小和分布，將焊接后的固有應變作為初始應變依次施加到結構上，進行一次彈性有限元計算，就可以得到整個結構的焊接應力和變形［7］。

基于以上理論，針對船體分段中典型的3個對接焊結構、9個角接焊結構、骨材與肋板之間的6個立焊結構進行熱彈塑性仿真計算［8］。圖1、圖2所示為仿真計算過程中所用的材料參數［9］，從中提取固有應變，為船體分段焊接變形的仿真分析提供數據準備。根據現行焊接參數得到的部分對接、角接和立焊結構的固有應變如表1所示。

3 有限元建模

3.1 幾何建模和網格劃分

表1 部分典型焊接結構固有應變值Tab.1 Inherent strain values of partial typical welding structure

應用ABAQUS有限元軟件，根據某船體分段結構圖紙中各構件的尺寸、規格，以及構件之間的裝配關系，建立該分段的有限元幾何模型。

由于該船體分段的構件種類和數量較多，構造復雜，為了能較真實地反映焊縫附近區域的變形情況，在模型網格劃分之前，首先對模型進行剖分，將焊縫區域分離出來，以利于固有應變的加載與焊縫區域網格的生成。整個模型使用S4R殼單元［10］，網格劃分后的節點總數為 35 045，單元總數為34 314。其分段有限元網格模型如圖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程中的胎架點焊固定情況，建模過程中根據實際點焊位置，進行3個方向的位移約束。

焊接過程中將產生塑性應變、熱應變和相變應變等，焊接結束后三者的應變殘余量之和稱為固有應變。即

式中，｛εP｝為塑性應變；｛εt｝為熱應變；｛εx｝為相變應變。

若不考慮相變應變，并且焊縫區域經由加熱和冷卻過程后，熱應變最終為零，固有應變即為殘余的塑性應變。

根據分段的對接焊、角接焊和立焊結構的焊接工藝參數，將熱彈塑性有限元方法計算得出的塑性殘余應變εp沿焊縫截面進行積分，分別得到該截面處縱向固有應變之和Wx、橫向固有應變之和 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變的大小和分布，Wx和Wy與焊接線能量Q有關，設

其中，K、ξ可通過熱彈塑性有限元分析得到。因此，式（2）、式（3）可通過式（4）、式（5）轉化為相應的固有應變值，作為仿真計算載荷，并按照實際焊接順依次加入有限元仿真模型中，實現對裝焊工藝方案的數值模擬。

重力作用的影響在分段建造各階段中考慮，并以重力場的方式加載到質量單元上。

3.3 有限元仿真計算結果

該船體分段從構件拼裝到拆除加強結構由4個典型階段組成：殼板上胎架、完成結構安裝；分段內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，拆除加強結構。整個結構的焊接順序為：內殼板對接焊、殼板上的橫向構件由船中向兩舷對稱進行焊接，縱向構件由船中向兩舷對稱進行焊接、外殼板封底焊。

采用固有應變法仿真計算時，為了能反映船體分段的實際焊接變形情況，分別針對這4個階段進行了仿真計算，得出分段的焊接變形如圖4所示。從圖4可以看出，當分段內殼板對接焊完畢，分段對接焊縫附近位置發生較大焊接變形，向外延伸的縱骨位置最大變形為3.78 mm，遠離對接縫位置的變形接近于零；當結構焊接完畢，分段殼板、肋板等均發生了明顯的焊接變形。但由于胎架和工藝加強槽鋼的約束，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生外張變形，有的部分發生內收變形，也有局部板格間出現波浪狀向內凸起變形。對比圖4（c）和（b）不難發現，分段整體變形略呈外張趨勢，但由于該過程中未去掉工藝加強構件，分段變形趨勢不明顯；但是，當分段上船臺并拆除加強后，分段發生較大的外張變形。由圖4（d）可知，變形的峰值接近9 mm，其中兩舷側的邊緣位置處變形量最大。這是因為工藝加強結構拆除后，工藝加強結構對船體分段的約束被釋放，導致分段中應變能釋放，彈性變形和部分塑性變形得到恢復，從圖3中也可以看出，因只有2組工藝加強結構，對舷側的邊緣處約束較少，故變形量最大。

4 仿真結果驗證

為掌握船體分段線型在各個施工階段的變形情況，在內場胎架上施工時，預先用樣條在分段兩舷殼板的內表面 ＃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 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，待分段中應力應變釋放穩定后，采用“分段寬度測量法”測量圖5所示的相應兩點間的寬度值。

為了驗證仿真結果的可靠性，將現行裝焊工藝方案的船體分段測量變形值與相應位置處的計算變形值進行比較。由變形云圖及數據可知，分段尚未拆除工藝加強結構時，殼板各處的變形十分微小，故只列出分段在拆除加強結構之后的最終焊接變形結果，如表2所示。

表2 分段焊接變形結果對比Tab.1 Comparision of welding deformation results for subsection

由表2可知，船體分段的計算與實測焊接變形趨勢是一致的，且數值較為吻合。船體分段的最終焊接變形整體出現外張，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，采用固有應變法對大型復雜船體分段進行焊接變形數值仿真計算是有效的。對于各種復雜結構來說，采用該計算方法能夠快速地實現多種熱輸入和多種焊接工藝條件下的焊接變形計算，解決了大型復雜結構焊接試驗高成本、高風險的難題。

5 結論

本文應用有限元軟件ABAQUS，采用固有應變法按現行裝焊工藝方案的焊接順序與焊接參數對某船體分段的焊接變形進行了仿真模擬，并與實測結果進行比較，得出以下主要結論：

1）通過熱彈塑性仿真計算得到的固有應變，可作為船體分段焊接變形仿真計算的載荷輸入數據。

2）實測結果與數值仿真計算結果均表明，船體分段焊接變形整體呈外張趨勢，且兩舷側邊緣位置的焊接變形量最大。

3）對比焊接變形實測與計算結果，得知分段變形趨勢一致，變形數值較為吻合，表明采用該固有應變法計算和研究大型復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

海裝型號科研項目

丁振斌（1969－），男，高級工程師。研究方向：船體結構焊接。E-mail：dingzhenbin1207＠sina.com

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