舰船建造过程的结构变形预报与控制研究

发布时间：2020-11-03 21:23

　　 船舶在建造期间,由于焊接、坐墩、吊装、设备上舰、日照及温度变化等因素的影响,结构的变形不可避免。相较于民用船舶,水面舰船建造期间的结构变形不仅影响其建造精度和质量,同时还严重影响舰载武器系统及航空保障系统的校准。为了提高我国水面舰船的建造精度,掌握典型荷载或工况下结构的变形规律,保证舰载设备与系统的精度校准,论文对舰船建造期间的焊接变形、分段吊装、全船和总段坐墩的变形预报方法及变形控制措施进行了研究。论文主要研究内容如下:1)基于顺序耦合的热弹塑性原理,建立了船体结构焊接变形的有限元分析方法,通过将平板对接焊变形的有限元计算值与试验值对比,证明了分析方法的可行性。在此基础上,分别对不同边界条件下的对焊接变形和角接焊变形进行计算,分析了不同的焊件边界约束条件对焊接变形的影响,最终得到了控制变形的边界约束方案。2)根据船舶分段吊装的特点和吊点适应性理论,采用粒子群算法建立了吊点确定的优化算法,并结合有限元法建立了分段吊装变形预报方法。在此基础上,分别开展了船艏分段和上层建筑总段平吊、船舯机舱段翻身吊装的吊点筛选和吊装变形预报分析,验证了方法在吊装变形研究方面的适用性。3)基于船舶墩木布置的一般原则和弹性支座梁理论,给出了坞墩布置设计方法,并结合有限元法建立了船体坐坞变形预报方法,对全船坐坞变形及应力进行了分析,验证了方法的有效性。4)在坐坞变形的基础上,进一步开展了日照作用下温差引起的结构变形研究。基于热传导和热应力分析方法,建立了日照作用下坐墩船舶的变形分析方法,对高温天气下环境温度和甲板温度进行了测量,据此开展了日照作用下机舱分段、船艏分段和全船的变形预报,分析了结构的变形规律,验证了船体“荷叶变形”现象,同时制定了减小坐坞分段对接面相对变形的措施。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U671
【部分图文】：

图２．１整体变形种类??局部变形是指焊接之后，局部区域产生的变形，包括角变形和波浪变形等变形形式。??（图２．２所示）。??角变形?波浪变形??图２．２局部变形种类??２．３基于热弹塑性原理的焊接变形分析方法??２．３．１顺序耦合热弹塑性分析的基本原理??焊接是一个包括温度、相变、应力、应变等变量共同作用的复杂过程。焊接过程中??焊接材料热物理特性的变化、金属熔化过程的相变及潜热效应、焊缝区域材料的塑性变??形等，共同导致焊接热弹塑性有限元分析过程是非线性的｜４８】。由于热弹塑性分析方法在??数值模拟中的结果与实际更为符合，因此被广泛用于各种焊接形式的变形分析中。??焊接热弹塑性有限元分析方法主要包括全耦合以及顺序耦合两种类型｜４９］。进行全耦??合有限元分析时要将力学场和温度场结合考虑，即在计算过程中要同时施加热力约束与??力学约束，还要在计算过程中不断更新两者的参数状态，因此计算过程的整体进度会受??到一定的影响：顺序耦合有限元分析的前提条件是假设力学特性对温度场的影响较小，??即仅考虑温度特性对力学场的影响。分析流程为首先进行一次非线性的瞬态热传导计??算，得到模型的温度分布，然后将此温度场作为外载荷进行热力学分析求解｜５（）〗。??非线性瞬态热传导的焊接温度场控制方程积分形式如下：??Ｊ?ｐＵｄＶ?＝ｙｑｄＳ＋＼?ｒｄＶ?（２－１?）??９??

２．３基于热弹塑性原理的焊接变形分析方法??２．３．１顺序耦合热弹塑性分析的基本原理??焊接是一个包括温度、相变、应力、应变等变量共同作用的复杂过程。焊接过程中??焊接材料热物理特性的变化、金属熔化过程的相变及潜热效应、焊缝区域材料的塑性变??形等，共同导致焊接热弹塑性有限元分析过程是非线性的｜４８】。由于热弹塑性分析方法在??数值模拟中的结果与实际更为符合，因此被广泛用于各种焊接形式的变形分析中。??焊接热弹塑性有限元分析方法主要包括全耦合以及顺序耦合两种类型｜４９］。进行全耦??合有限元分析时要将力学场和温度场结合考虑，即在计算过程中要同时施加热力约束与??力学约束，还要在计算过程中不断更新两者的参数状态，因此计算过程的整体进度会受??到一定的影响：顺序耦合有限元分析的前提条件是假设力学特性对温度场的影响较小，??即仅考虑温度特性对力学场的影响。分析流程为首先进行一次非线性的瞬态热传导计??算，得到模型的温度分布，然后将此温度场作为外载荷进行热力学分析求解｜５（）〗。??

时对焊接完成后的结构变形进行预报。??２．４．１平板对接焊热弹塑性变形分析??本节焊接研允对象取自舰船船舯某一区域的板壳结构，其有限元模型如图２．４所示。??进行对接焊的两块平板尺寸均为６００?ｗ／７７?ｘ３００?ｘ３?ｗｗ?，材料是屈服限为３５５?ＭＰａ的船??用高强度钢。为了减短计算时间同时不影响计算结果，远离焊缝的区域利用粗网格进行??划分，焊缝区域则为２＿＾２／＿的细化网格单元（图２．５）。焊接相关参数为：电弧电压??ｔ／?＝?２２Ｆ、焊接电流为／?＝?８（Ｍ、焊接速度为５ｍ／？／ｓ。??Ｄｅｆｏｒｍｅｄ?Ｖａｒ?ｎｏｔ?ｓｅｔ?Ｄｅｆｏｒｍａｏｏｎ?Ｓｃａｌｅ?Ｐａｃｔｏｒ?ｎｏｔ?ｓｅｔ??图２．４平板模型示意图??１１??
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本文编号：2869120