船体曲面钢板完全线加热成形研究

论文摘要

目前造船业中普遍采用的船体曲面钢板成形的典型工艺是水火弯板,国外也称作线加热(line heating)。传统的成形方法分两个阶段进行:钢板先在辊弯机床上进行沿钢板短边方向的辊弯成形,形成横向弯曲变形,而后把钢板运到水火弯板工位进行水火加工,出现沿长边方向的纵向弯曲变形,使钢板成形为设计要求的三维曲面形状。这样两阶段的不同成形手段的成形过程不适合船体板成形的自动化,而且两阶段的成形过程都需要经验丰富、技术熟练的造船工人来完成,由于板材的回弹特性,使板材在辊弯过程中的过弯量不容易掌握。 基于上述问题,本文主要研究取消机械辊弯的完全线加热方式把平板成形为三维曲面板的过程设计方法。完全线加热的成形方式既可以实现钢板弯曲成形的自动化,而且能够避免上述问题,提高加工质量。 本文的研究目的是要开发一个船体曲面钢板完全线加热成形设计系统。为此,本文提出了一个船体板成形的设计方法,即利用曲率分析方法改变船体板两阶段的成形为完全线加热成形过程。首先,船体板用B样条曲面进行数学表达,而后计算曲面的主曲率,按照等弯曲角变形的思想布置弯曲加热线,并根据工艺参数和变形的关系数据给出适当的等弯曲变形量;这样,通过水火弯板过程使船体板获得横向的弯曲成形;下一步,沿钢板的长度方向在板边或板中再进行收缩的线加热成形,得到所要成形的帆形曲面钢板或鞍形曲面钢板。这样就实现了完全线加热成形的全过程。 本文开发了一个非线性瞬态间接耦合的热—结构分析的三维有限元模拟模型,数值模拟结果和实验测量值一致。在分析实验数据的基础上,提出了综合反映热源参数的体功率模型;并且尝试把这个复合变量作为水火弯板工艺参数和变形关系的自变量。通过数值模拟分析了水火弯板影响参数对于变形的影响关系,总结出横向弯曲成形的主要影响参数是燃气流量、热源速度和钢板尺寸,纵向收缩成形的主要影响参数是燃气流量、热源速度和加热线长度。基于参数研究结果,通过合理的数值模拟试验获得两种线加热成形的工艺数据,从而省去大量的实验测试工作。 在获得大量工艺参数数据的基础上,建立水火弯板加工过程中工艺参数与变形之间的数学模型,是水火弯板研究的核心内容。水火弯板过程机理复杂,有很多因素影响最后的残余变形,而且影响关系是非线性的,在形成水火弯板数学模型时,若各个影响参数独立参与建模,则需要建立系列的数学模型。因此,采用热源的体功率作为水火弯板回归公式中的自变量,可以涵盖多种燃气流量、系列板厚条件下的水火加工成形。然

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图或附表清单
• 注释说明清单
• 1 绪论
• 1.1 水火弯板概述
• 1.1.1 双曲率船体板成形
• 1.1.2 水火弯板的一般过程
• 1.2 课题的背景和意义
• 1.3 水火弯板关键技术研究现状
• 1.3.1 热源类型
• 1.3.2 加热线布置
• 1.3.3 线加热成形热弹塑性机理的研究
• 1.4 线加热成形过程自动化研究现状
• 1.5 双曲率船体板成形存在的问题
• 1.6 相关研究
• 1.6.1 激光成形
• 1.6.2 焊接
• 1.7 本文的主要研究内容
• 2 船体板曲面的非均匀B样条曲面表达
• 2.1 B样条的递推定义及其性质
• 2.2 计算B样条曲线上点的德布尔算法
• 2.3 B样条曲线的插值算法
• 2.4 非均匀B样条曲面
• 2.5 船体板非均匀B样条曲面表达示例
• 2.6 小结
• 3 船体板完全线加热成形设计原理及方法
• 3.1 引言
• 3.2 移动热源线加热成形过程变形描述
• 3.3 船体板完全线加热成形设计原理及工艺过程
• 3.3.1 曲面变形量确定的理论基础
• 3.3.2 船体板完全线加热成形的工艺过程
• 3.4 船体板成形的曲率分析方法
• 3.4.1 引言
• 3.4.2 曲面主曲率计算
• 3.4.3 横向弯曲成形的曲率分析方法及角变形加热线确定
• 3.5 基于参数曲面表达的帆形船体外板展开方法
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 帆形船体外板展开
• 3.6 小结
• 4 线加热成形过程有限元数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 热分析的基本理论
• 4.2.1 高斯分布热源模型
• 4.2.2 热分析的解析解
• 4.3 线加热成形有限元计算的基本理论
• 4.3.1 线加热成形的力学行为
• 4.3.2 线加热成形的热弹塑性有限元分析
• 4.4 热分析的有限元模型
• 4.4.1 网格划分
• 4.4.2 单元类型
• 4.4.3 热源加载
• 4.4.4 材料模型
• 4.4.5 边界条件
• 4.4.6 模型求解
• 4.5 结构分析的有限元模型
• 4.5.1 网格划分
• 4.5.2 单元类型
• 4.5.3 流动准则
• 4.5.4 材料模型
• 4.5.5 边界条件
• 4.6 线加热过程的实验研究及其有限元分析
• 4.6.1 实验方案
• 4.6.2 实验和数值结果的比较
• 4.7 线加热成形过程的体功率模型
• 4.8 平板线加热过程数值模拟算例
• 4.9 小结
• 5 基于数值模拟的线加热过程影响参数分析
• 5.1 引言
• 5.2 不同流量条件下的表面最高温度—速度特性曲线
• 5.3 线加热影响参数对钢板横向成形过程中角变形量的影响
• 5.3.1 钢板尺寸对于角变形的影响
• 5.3.2 距离支撑端的距离的影响
• 5.3.3 角变形和体功率之间的关系
• 5.3.4 角变形和线能量之间的关系
• 5.3.5 燃气流量的影响
• 5.3.6 小结
• 5.4 线加热影响参数对钢板纵向成形线变形量的影响
• 5.4.1 热损失的影响
• 5.4.2 水冷有无
• 5.4.3 热源移动速度
• 5.4.4 加热长度
• 5.4.5 不同气流量的影响
• 5.4.6 横向曲率半径
• 5.4.7 小结
• 5.5 结论
• 6 完全线加热成形工艺参数和变形关系的数值计算和数学建模
• 6.1 引言
• 6.2 钢板横向弯曲成形数值模拟试验
• 6.3 角变形数学建模方法对比
• 6.3.1 传统的多元分析和建模
• 6.3.2 神经网络建模和预测
• 6.3.3 支持向量机回归（SVR）建模
• 6.3.4 各建模方法预报对比
• 6.4 钢板纵向收缩成形数值模拟试验
• 6.5 线变形量数学建模方法对比
• 6.5.1 传统的多元分析和建模
• 6.5.2 神经网络建模和预测
• 6.5.3 支持向量机回归建模
• 6.5.4 各建模方法预报对比
• 6.6 工艺参数和变形关系的数学建模的讨论
• 6.7 小结
• 7 完全线加热成形工艺参数验证
• 7.1 引言
• 7.2 船体板横向弯曲成形实验方案
• 7.3 实验结果
• 7.4 角变形数学模型的验证
• 7.5 船体板横向弯曲成形的工艺参数
• 7.6 船体板纵向收缩成形的工艺参数
• 7.7 小结
• 8 结论和展望
• 8.1 主要的研究工作及结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 攻读博士学位期间参与的科研项目情况
• 创新点摘要
• 致谢
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