基于后處理再造型的連續制造工藝過程仿真技術

胡廣旭　孟梅　劉冰

摘要：制造工藝仿真技術目前僅應用于單點工藝分析，缺乏在連續工藝實施中考慮應力和變形等變化對前后工序的影響，不能實現連續的制造工藝仿真，因此提出一種基于后處理再造型（Post-Processing Re-Modeling，PPRM）的仿真技術.該技術利用前道工序仿真結果的后處理數據重構后道工序的仿真模型，從而可以系統、連貫地考慮各制造階段的工藝變形、應力和應變等，實現連續制造工藝過程仿真.將這項技術應用于船體結構部件裝焊變形的仿真計算中，計算多個零件連續裝焊工藝過程的焊接變形積累，從而預測并監控多道裝焊工藝前后工序之間的互相影響干涉.該技術在船體制造中的肋板彎曲工藝、分段堆放和分段吊裝等工藝中應用前景較好.

關鍵詞：制造工藝仿真； 熱彈塑性有限元； 船體結構； 焊接變形； 船舶制造； 分段吊裝

中圖分類號： TH164；TG404

文獻標志碼：B

Abstract：The current manufacturing process simulation technology is only applied in single point process analysis without considering the effect of the change of stress and deformation on former and later processes in the implementation of continuous process， so the continuous manufacturing process can not be implemented. Hence， a simulation technology is proposed on the basis of Post-Processing Re-Modeling（PPRM）. With the technology， the post-processing data of former process simulation is used to re-model the subsequent process， and the process deformation， stress and strain in each manufacturing stage can be systematically and continuously considered and the contiuous manufacturing process simulation can be implemented. The technology is applied in the simulation and calculation of welding deformation of components of ship hull structure， and the welding deformation accumulation are calculated in the continuous welding process of multi-components， and the mutual interference before and after the process of multi-welding steps is predicted and monitored. The application prospect of the technology is good for ship hull manufacturing processes such as rib bending， block laying， block lifting， and so on.

Key words：manufacture process simulation； thermal-elastic-plastic finite element； ship hull structure； welding deformation； shipbuilding； block lifting

0引言

在大型工業產品，如飛機及船舶與海洋工程裝備等大型結構的制造過程中，從材料切割到最終成品，往往歷經多道制造工藝.在每道工藝操作中，設備都會因工藝設備操作時產生的物理或化學作用而引起變形、內應力、組織轉變和裂紋等，影響產品制造精度和疲勞壽命.制造質量是決定產品能否滿足用戶需求的關鍵.不論多么優秀的產品設計，如果缺少優質的制造工藝，都難以成為優質的產品.

針對制造工藝質量問題，很多研究均采用制造工藝仿真技術，在工藝設計之初進行計算、預測和分析，一方面提前預判工藝實施方案、優化工藝參數，另一方面可以提前準備修補方案.目前，制造工藝仿真技術在很多領域得到廣泛應用，包括熱處理、鑄造、焊接、沖壓和冷彎加工等.[1-5]

工藝仿真技術主要應用于單點工藝仿真計算，僅有少數研究在焊接工藝仿真后進行焊后熱處理仿真，且這些仿真技術僅限于幾何模型不變的情況.[6-8]因此，目前仍缺乏產品制造全過程的仿真研究，如在船體外板制造過程中，冷彎加工后的鋼材內部會產生殘余變形和應力，這些材料變化對后序水火彎板工藝或焊接裝配工藝的影響很難用單點工藝仿真進行預測分析.由于缺少多道連續工序的仿真技術手段，導致前道工序的變形、應力和組織轉變等缺陷很難在后道工序中考慮到，使得工藝仿真計算脫離實際制造過程.

針對上述問題，提出一種基于后處理再造型（Post-Processing Re-Modeling， PPRM）的仿真技術，利用該技術可實現連續工藝仿真，從而可以考慮連續工藝各階段缺陷的積累.

1PPRM仿真技術

在多道連續工序的仿真計算中，利用前一道工序的仿真后處理數據重構后一道工序的仿真模型，從而在后道工序仿真計算中考慮前道工序的工藝影響，以達到全過程的仿真計算目的，即為PPRM技術，其具體實現流程見圖1.首先在前道工序建模過程中分別導出幾何或有限元網格的標準模板數據，之后定義前道工序初始條件和邊界條件，進行仿真計算.在計算完畢后，采用后處理開發技術輸出仿真后處理結果數據，并依據標準模板幾何或網格進行數據轉換，進一步與前道工序標準模板數據進行數據疊加和重構，實現幾何或網格再造型，獲得再造型模型.以此為基礎，在后道工序中加載再造型模型的仿真邊界條件，同時導入前道工序的物理場后處理數據結果，實現PPRM技術全過程.反復按照PPRM技術流程建立連續工藝過程仿真模型，最終實現全過程連續工藝仿真.

實現PPRM技術有以下要點.

1）PPRM規劃.針對不同的制造工藝仿真問題，PPRM關注的重點不同，所需的后處理數據也不同，例如：研究制造精度時往往著重于變形數據再造，研究產品制造對強度的影響時則更關注制造應力和應變甚至裂紋等缺陷，研究熱加工情況下的金屬性能變化時則需模擬加工過程中組織的變化.在確定研究關鍵點后即可規劃PPRM技術提取的后處理數據，確定模型重構所需算法.

2）標準模板幾何或網格的數據操作技術.目前造型和仿真軟件大多采用國外商用軟件，其模型數據格式各異.為實現PPRM技術，首先將各種數據格式轉換為標準模板數據格式（如iges，stp和inp等），然后基于標準模板數據格式開發數據操作模塊.針對不同的模板數據類型，采用的開發函數不同，可根據具體需要進行選取.

3）后處理結果數據自動輸出技術.在有限元仿真計算中，輸出結果數據以單元或節點為基本數據存儲單元，由于仿真計算網格數據量巨大，因此難以手動輸出.目前，國外商用仿真計算軟件一般提供相應后處理二次開發語言和開發函數庫，可按照需求靈活地開發自動數據輸出功能.較為常用的后處理語言有Python和C等.

4）后處理數據與再造型模型數據交互技術.實施PPRM的模型再造過程是利用仿真結果后處理數據對初始模型數據進行疊加、修改和重構的交互過程，涉及有限元節點的幾何、力學和物理場等信息加載，具體包括后處理數據格式轉換、標準模板數據格式識別以及后處理數據添加和替換等操作程序，可依據仿真后處理數據類型和存儲格式開發對應的數據交互功能.

2PPRM技術仿真實例

由于PPRM技術的應用不局限于某種特定工藝的仿真計算，本文將該技術應用于船體某部件上多個肋板的連續裝焊仿真中，通過仿真觀察前道肋板裝焊后產生的變形對后道肋板裝焊的影響.

2.1多肋板船體部件焊接變形的PPRM建模

焊接變形是影響船體結構制造精度的關鍵因素之一.采用PPRM技術預測船體某部件肋板裝焊變形過程，明確每條肋板焊接對結構的影響，揭示焊接變形積累過程，輔助研究設計精度控制對策.

某船體外板結構模型見圖2.圖2中虛線為部件與曲面外板連接的裝配線.該裝配線制造精度直接影響其后續與外板的裝配，因此通過仿真揭示肋板裝焊過程引起的裝配線上的變形.

在部件現場裝焊過程中，為避免操作空間干涉，肋板按照一定順序裝焊（見圖3），依次為Rib1，Rib2，Rib3和Rib4，具體仿真計算時在每條肋板裝焊變形仿真后均進行PPRM.圖3位移提取點D1， D2， D3， D4和D5均為裝配線上的節點.由于本例主要關注裝焊精度，因此在PPRM技術應用中輸出標準模板三維幾何或網格數據，此處選取inp網格模板文件.由于肋板間距較遠，可忽略應力的相互影響，后處理主要提取空間位移作為模型重構數據，與初始模型的inp網格模板文件進行數據交互，重構其數據實現再造型，然后在再造型模型上建立預裝焊的肋板模型，如此反復循環，最終完成所有肋板裝焊仿真計算.具體流程見圖4.

先進行初始肋板裝焊的幾何和網格建模，即Ribn，輸出標準模板網格數據，同時加載初始條件和邊界條件，完成Ribn的焊接變形仿真計算.進一步提取Ribn焊接仿真產生的變形位移信息，輸出并與Ribn標準模板進行數據交互，從而將Ribn產生的焊接變形數據重構至后道工序Ribn+1網格模型中，使Ribn+1仿真模型考慮Ribn的殘余焊接變形.如此循環就可實現連續工序焊接過程的集成仿真.

2.2三維焊接變形有限元模型

變形仿真主要采用熱彈塑性有限元理論[9]，船體部件三維有限元模型見圖5，采用全六面體網格，且應用過渡網格技術控制網格數量.焊接熱源模型采用雙橢球熱源模型模擬CO2氣體保護焊[10]，材料為C15鋼，材料參數隨溫度變化見文獻[11]，熱交換采用空氣對流邊界條件.

2.3全裝焊過程仿真結果

有效顯示為焊接溫度場結果，采用后處理技術將超過2 000 ℃的部分統一歸為熔化金屬.肋板Rib1和Rib4焊接瞬態溫度場仿真結果見圖6.

再造型前后網格模型對比見圖7，可清晰地觀察到由焊接工藝引起的結構變形.

由圖8可知，每條肋板焊后都引起肋板附近區域的變形，尤其是在裝配線上.一方面裝配線邊緣缺少約束，自由變形較大；另一方面由于肋板的焊縫端部距離邊緣裝配線較近，導致變形較大.肋板Rib1，

Rib2，Rib3和Rib4焊后的再造型模型與初始模型在相同位置節點位移差值見表1.通過相同節點在不同肋板裝焊階段的位移差值可以觀察全過程變形的積累.Rib4焊后差值是所有肋板焊接變形的最終積累結果，即為最終變形.由圖3可知，Rib1，Rib2和Rib3方向趨近于與裝配線垂直，其肋板端部與邊緣接近，且焊縫較長，導致焊后變形較大.由表1可知，Rib1，Rib2和Rib3焊后分別在焊縫較近的D2，D4和D3節點位移較大，而Rib4焊縫由于距離裝配線邊緣較遠且焊縫較短，其焊后變形較小，幾乎不影響節點位移.

基于PPRM技術實現焊接變形仿真，考慮前道裝焊變形對后道裝焊的影響，使制造工藝仿真更接近現場工藝實施操作，有助于焊接變形控制方案的制定.

3PPRM在船舶制造領域應用探討

船舶制造過程包括多個工序環節，例如在將鋼板制成船體曲面外板過程中，需經過預處理、等離子切割、初步冷彎成型、水火彎板成型和肋板裝焊等過程.在各工序實施過程中，不可避免地會產生熱變形、應力集中、精度偏差和材質缺陷等，這些缺陷會影響后道工序的成型和裝配等，影響產品整體質量.探索采用基于PPRM技術的集成仿真技術監控、預測和發現全過程工藝缺陷，進而輔助工藝方案制定和實施，提高工藝水平.PPRM技術在船舶制造工藝仿真中的應用方向主要包括以下方面：

1）考慮初始缺陷的船體結構強度計算.目前，船體結構強度設計中大多采用理想三維模型進行校核計算，而實際船舶產品由于各階段建造工藝產生的缺陷，其結構內部存在大范圍的殘余應力集中，這些應力缺陷在強度計算模型中缺乏考慮，難以保證設計強度和疲勞的有效性.[9]采用PPRM技術，通過應力后處理數據進行模型重構，將全工藝過程應力考慮到船體結構模型中，有助于提高強度計算的有效性.

2）分段堆放與分段吊裝工藝變形連續計算.船體分段建造完畢，往往堆放在分段堆場等待后續吊裝和總組.由于分段質量一般為幾十至幾百噸，且體積大，在其堆放過程中由于重力產生的變形較大；在吊裝過程中同樣產生明顯的重力變形，影響制造精度和后續總組裝焊工藝實施.采用PPRM技術，首先進行分段堆放重力變形仿真計算，然后利用變形后處理數據進行模型重構，在此基礎上建立吊裝變形仿真計算模型，最終實現分段堆放和吊裝工藝的連續變形計算，預測連續工藝變形，輔助工藝方案制定，提前探索避免變形的工藝措施，保障后序分段總組裝焊工藝順利實施.

3）大型船體分段結構裝焊的熱彈塑性仿真計算.由于船體結構較大，采用熱彈塑性有限元法計算焊接變形時網格數量多、計算量巨大，難以一次實現分段結構的焊接熱彈塑性計算.[12]采用PPRM技術，在建模仿真過程中對當前焊接工序的焊縫附近網格進行網格細化，對后續工序的焊縫網格可粗化處理或忽略；而在后續焊縫仿真階段，可將之前仿真完畢的焊縫附近網格粗化，進而減少各工序的計算網格數量，縮短計算周期，保證大型結構計算仿真的實現.采用該方法，一方面可以按照焊接工序分階段建立大型船體結構的焊接仿真模型，大量減少單個仿真階段的網格數量，保證計算順利實施；另一方面可以考慮前道焊接工序對后序裝焊工藝的影響，實現大型船體分段裝焊的全過程仿真，有利于分析結構全過程裝焊的應力變形狀態.

4結束語

提出一種可用于連續工藝過程集成仿真的PPRM技術，用于預測連續工藝中前道工序實施對后道工序的影響，輔助工作人員在工序制定時從全過程工藝角度考慮方案，有助于提高制造工藝水平.

通過PPRM技術實例應用，實現基于熱彈塑性理論的連續瞬態焊接工藝變形仿真，得到連續工藝變形積累結果.結果表明由于結構肋板距離部件裝配線邊緣較近，邊緣引起的焊接變形明顯.

針對船舶制造工藝特征，探討PPRM技術在船體制造領域地應用前景，明確該技術在船舶制造工藝中的應用主研究方向，有助于進一步深入研究PPRM.

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（編輯武曉英）