大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用

发布时间：2017-08-29 17:21

  本文关键词：大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用

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【摘要】：焊接作为主要的金属加工方法被广泛地应用在船舶、汽车、火车、桥梁等工业生产领域。以船体的装配为例,分段通常为大型、复杂、全焊、薄板结构,在生产加工过程中,不可避免地会产生各种焊接残余变形。焊接残余变形不仅影响焊接结构尺寸精度,而且增加了制造成本。尽管无法完全地消除焊接残余变形,但是通过制造出具有足够精度的分段去避免整体建造过程中的变形问题是有可能的。因此,准确地预测和控制在装配过程中产生的焊接残余变形对于大型复杂船体结构的生产具有重要的工程意义。本文将固有应变理论应用于大型复杂船体结构的焊接变形预测中,针对数值分析过程中的难点问题即固有变形数据库的建立、约束条件的选择、装焊顺序的优化、强制装配的影响等四个方面进行理论分析及数值计算研究。在此基础上,根据现场工程技术人员的实际需求,开发了一款能简单地对焊接变形有限元分析所需的数据进行前期准备,对焊接变形进行计算分析以及对仿真结果进行后期处理的软件——焊接结构变形分析系统(Weld-sta),并将其成功应用于焊接结构上,从而为焊接工艺的设计、制定与优化提供技术支持。本文的主要研究内容如下:(1)根据基于固有应变理论计算大型结构焊接变形的本质,详细分析了几种计算焊接结构固有变形的典型理论方法,包括经验公式法、热弹塑性有限元法、实测法。再以简单的角接接头为例,利用三种方法演示了该接头的纵向固有收缩和横向固有收缩的获取方法。最后,提出计算复杂接头的固有变形近似公式,并在此基础上建立了复杂船体接头的固有变形数据库。(2)针对大型复杂结构在焊接模拟过程中约束条件施加困难的问题,将在航海航空领域得到广泛应用的惯性释放法引入大型焊接结构变形分析中。并以4250TEU集装箱船203分段为研究对象,计算了四种不同约束情况下的焊接变形情况,通过与实测数据做对比,发现采用惯性释放法的计算结果最接近实测数据,从而验证了该方法在焊接变形预测中的可行性。(3)考虑焊接结构由于在强制装配后变形的不确定性,利用通用商业软件Abaqus中的连接单元的属性,开发出了一种模拟强制装配过程的方法,并以4800TEU集装箱双层底分段303P/S为例,在考虑强制装配变形的情况下,对其焊接变形进行预测,得出了强制装配对最终变形影响的一些规律。(4)在固有应变理论以及之前研究的基础上,开发了焊接结构分析系统(Welding Structure Analsys System)。该系统面向现场工程技术人员,操作简单实用,并且具有自动寻找焊缝,通过固有变形数据库自动导入焊接参数,自动施加约束条件,计算模块兼容性强等多项实用功能。(5)以4250TEU集装箱船双层底分段以及电力机车枕梁为研究对象,根据实际建造工艺流程,采用Weld-sta软件对焊接结构在装配过程每一个分步的焊接变形进行计算。通过与实测数据在关键尺寸上进行对比,验证了考虑装焊顺序的数值计算的必要性,并在此基础上提出了目标优化函数,对4250TEU集装箱船双层底分段的装焊工艺方案进行了改进。
【关键词】：船体结构 焊接变形 固有应变法 焊接结构分析系统 固有变形数据库 惯性释放 强制装配 装焊顺序
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U671.8
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 焊接变形分析方法的研究现状12-19
• 1.2.1 试验与经验法12-13
• 1.2.2 焊接变形的数值模拟方法13-19
• 1.3 本论文主要工作及创新点19-21
• 第二章 船体接头固有变形数据库建立方法研究21-54
• 2.1 引言21
• 2.2 船体接头固有变形数据库的结构和功能21-25
• 2.3 基本理论25-34
• 2.3.1 固有应变理论25-33
• 2.3.2 固有变形理论33-34
• 2.4 典型接头固有变形计算方法34-45
• 2.4.1 公式法34-37
• 2.4.2 热弹塑性有限元法37
• 2.4.3 实测法37-38
• 2.4.4 T型接头验证案例38-45
• 2.5 船体接头固有变形数据库采集方法45-53
• 2.6 本章小结53-54
• 第三章 惯性释放法在大型复杂船体结构焊接变形有限元分析中的应用54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 惯性释放法研究现状54-55
• 3.3 惯性释放理论55-60
• 3.3.1 相对位移55-56
• 3.3.2 相对力56-57
• 3.3.3 柔度矩阵57-60
• 3.4 刚体位移约束与惯性释放法约束的比较60-63
• 3.4.1 对接接头有限元模型的建立60-61
• 3.4.2 两种方法的比较61-63
• 3.5 惯性释放法在大型复杂船体结构焊接变形中的应用63-76
• 3.5.1 4250TEU集装箱船介绍63
• 3.5.2 4250TEU集装箱船203分段介绍63-64
• 3.5.3 焊接工艺与焊缝信息64-68
• 3.5.4 4250TEU集装箱船203分段有限元模型68-69
• 3.5.5 结果与讨论69-76
• 3.6 本章小结76-78
• 第四章 考虑强制装配影响的大型复杂船体结构焊接变形有限元分析78-93
• 4.1 引言78
• 4.2 强制装配模拟方法78-83
• 4.2.1 连接单元理论78-80
• 4.2.2 示例80-81
• 4.2.3 验证81-83
• 4.3 考虑强制装配影响的典型船体结构焊接变形预测83-91
• 4.3.1 4800TEU集装箱船介绍83
• 4.3.2 4800TEU集装箱船双层底分段介绍83-84
• 4.3.3 有限元模型的建立84-86
• 4.3.4 结果与讨论86-91
• 4.4 本章小结91-93
• 第五章焊接结构变形分析系统的开发93-106
• 5.1 引言93-94
• 5.2 系统核心功能的开发与介绍94-98
• 5.2.1 自动寻找焊缝94-98
• 5.2.2 固有变形数据库与自动约束模型以及计算模块98
• 5.3 计算过程示例98-105
• 5.3.1 模型98-99
• 5.3.2 模型材质设置99-102
• 5.3.3 添加焊缝102-103
• 5.3.4 设置边界条件与计算103-104
• 5.3.5 结果后处理104-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第六章考虑装焊顺序的大型复杂结构焊接变形有限元分析106-164
• 6.1 引言106-107
• 6.2 考虑装焊顺序的电力机车典型部件焊接变形有限元分析107-130
• 6.2.1 电力机车车体典型焊缝108-112
• 6.2.2 机车车体枕梁结构与焊接工艺112-116
• 6.2.3 机车车体枕梁焊接变形实测116-121
• 6.2.4 机车车体枕梁焊接变形模拟121-125
• 6.2.5 结果与讨论125-130
• 6.3 基于焊接变形预测的船体结构装焊顺序优化130-163
• 6.3.1 4250TEU集装箱船双层底分段焊接实测130-137
• 6.3.2 4250TEU集装箱船双层底分段焊接变形模拟137-144
• 6.3.3 4250TEU集装箱船双层底装焊方案设计144-159
• 6.3.4 4250TEU集装箱船双层底装焊方案优选159-163
• 6.4 本章小结163-164
• 第七章结论与课题展望164-167
• 7.1 主要研究工作总结与结论164-165
• 7.2 课题展望165-167
• 参考文献167-174
• 致谢174-175
• 攻读博士学位期间完成科研\科研获奖及已发表或录用的论文175-178

【参考文献】

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1 陈召涛;孙秦;;惯性释放在飞行器静气动弹性仿真中的应用[J];飞行力学;2008年05期

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本文编号：754495