基于固有应变的船体分段焊接变形预测

论文摘要

船体分段在焊接过程中产生的焊接变形会给下一阶段的焊接和装配带来很大的困难，甚至使船体结构强度降低，在分段合拢时，需花大量的时间进行矫正和铲割工作，这必然影响建造进度和经济效益。精确预测和控制焊接变形是现代化造船工艺的要求。 本文采用的基于固有应变的等效载荷法适用于船舶等复杂焊接结构，先计算焊接区域的固有应变，固有应变由焊件上各点能达到的最高温度和结构的约束强度决定，再将固有应变转化为等效载荷，进而应用弹性有限元分析求得整个结构的焊接变形。本文所作的具体工作如下： 1、利用杆-弹簧热弹-塑性分析模型，观察了焊接点的固有应变产生过程，对以前需假设固有应变分布形状的方法作了改进，提出固有应变完全由温度分布及约束度变化而决定，这种新方法得到了随位置变化的固有应变分布。 2、不同于以往计算船体焊接温度分布采用经验公式的方法，本文进行了平板堆焊和加筋板角接焊的3维瞬态热传导分析，考虑了材料性能随温度的变化，求出了每一瞬时船体分段的温度场分布及整个焊接过程中各点的最高温度分布，本文的平板堆焊结果与解析解比较（图3.18所示），精度可靠。加筋板角接焊的结果与C．H．Lee（文献[82]）的结果相差3.04％。 3、本文结合他人文献[86，87，92]在多种焊接条件下得出的实验结果和单位载荷弹性分析法，得到了由温度变化产生的内部约束和由结构物的刚性及边界条件产生的外部约束。得出了焊接输入热量及各制造阶段的结构物的形状变化与约束度的关系。计算中考虑了焊接点的弹性模量随温度上升而减小。本文计算结果（图4.11a）与参考文献[82]（图4.11b）相比，相差分别为2.94％，7.14％，2.56％。 4、对固有应变分布进行积分求出等效载荷，在等效载荷计算中与国外参考文献不同的是横向载荷和纵向载荷都是沿焊缝方向变化的，在不同位置取

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 焊接变形和应力的分类及成因
• 1.2.1 焊接变形的分类
• 1.2.2 焊接变形及应力产生的原因
• 1.3 焊接变形和应力的研究方法综述
• 1.3.1 实验法
• 1.3.2 解析法
• 1.3.3 数值分析法
• 1.3.4 等效载荷法
• 1.4 本文的研究方法和内容
• 1.4.1 本文所用研究方法
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 热变形及热应力的基本方程
• 2.1 热应力基本方程
• 2.2 位移法和应力法
• 2.3 热弹性自由应力问题
• 2.4 变分原理
• 2.5 互易定理
• 2.6 热势能法
• 2.7 二维问题
• 2.8 经典平板理论
• 2.8.1 控制方程
• 2.8.2 边界条件
• 2.8.3 用公式表示能量
• 2.8.4 任意等高线自由板的解
• 2.9 矩形平板
• 2.9.1 简支边界
• 2.9.2 在两平行边有简单支撑的情况
• 2.10 本章小结
• 第3章 焊接过程的热传导分析
• 3.1 引言
• 3.2 焊接热源的热功率
• 3.3 热传播定律
• 3.3.1 热传导定律
• 3.3.2 对流传热定律
• 3.3.3 辐射传热定律
• 3.3.4 热传导微分方程
• 3.3.5 准稳态温度分布
• 3.4 热传导分析的简化模型
• 3.4.1 模型的基本特征
• 3.4.2 热源仿真
• 3.5 整体温度场的解析解
• 3.5.1 作用于无限板的移动线热源
• 3.5.2 作用于半无限体的移动圆形高斯分布热源
• 3.5.3 作用于无限板的固定带状高斯分布热源
• 3.5.4 作用于无限板的快速移动大功率热源
• 3.6 非线性瞬态热传导的有限元分析
• 3.7 相变潜热
• 3.8 分析模型仿真
• 3.8.1 平板堆焊有限元分析算例
• 3.8.2 加筋板角接焊有限元分析算例
• 3.9 焊接温度场的误差
• 3.9.1 平板堆焊有限元结果与解析解的比较
• 3.9.2 加筋板角接焊有限元结果与参考文献解的比较
• 3.10 本章小结
• 第4章 焊件对热变形的约束强度
• 4.1 约束度的概念
• 4.2 基本焊接构件的约束度
• 4.2.1 基本焊接构件的定义
• 4.2.2 基本焊接构件约束度的计算结果
• 4.3 船体分段的约束度
• 4.3.1 利用单位载荷法计算结构的刚性
• 4.3.2 考虑装配阶段约束度的计算方法
• 4.3.3 考虑焊接点温度上升的影响
• 4.4 约束度计算算例
• 4.4.1 自然状态结构刚性的计算
• 4.4.2 约束状态结构刚性的计算
• 4.4.3 不同焊接顺序约束度的计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 焊接导致的固有应变和等效载荷
• 5.1 焊接固有应变的定义
• 5.1.1 固有应变与固有应力
• 5.1.2 固有应变弹性学
• 5.2 热弹-塑性分析模型
• 5.2.1 焊接固有应变的发生
• 5.2.2 考虑材料常数非线性的热弹-塑性分析模型
• 5.2.3 固有应变的支配因素及其影响
• 5.3 焊接固有应变分布的计算
• 5.3.1 热弹-塑性分析模型的应用
• 5.3.2 固有应变分布区域
• 5.4 固有应变的等效载荷
• 5.5 固有应变和等效载荷算例
• 5.6 本章小结
• 第6章 船体分段焊接变形分析
• 6.1 焊接变形仿真流程
• 6.2 加筋板结构的焊接变形
• 6.3 焊接顺序对船体分段焊接变形的影响
• 6.4 双层底分段的焊接变形
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历