焊接顺序对船体分段的焊接变形影响

焊接顺序对船体分段的焊接变形影响

肖旺

中国船级社质量认证公司北京100006

摘要：使用固有应变法对于不同焊接顺序下船体分段的变形情况进行仿真计算，根据研究结果可以看出不同的焊接顺序下船体的分段在整体上外张，在同一个焊接的顺序下如果纵骨接近舷侧，则会出现比较大的垂直变形，从横向和垂直向的变形方向来看则是船中间向两边进行横向构建的焊接，随后从中间向两边进行焊接。笔者采用了固有应变法对于船体分段在不同焊接顺序下产生的形变情况进行分析和评估，得到不同焊接顺序对于焊接变形可能产生的影响，进而得出最优的焊接顺序方案，希望能够给有关人员以启发。

关键词：固有应变法；船体分段；焊接变形

前言：对焊接变形进行预估的时候一半都会采用经验判断或者是采用一些简化方法来进行计算，但是简化计算方法只适用于一些最简单的焊接构建，在处理一些相对简单的焊接结构的时候就会显得力有不逮。虽然三维热弹塑形的方法能够从原理上解决一些复杂过程当中焊接结构的形变问题，但是针对一些复杂的任务进行计算的时候通常计算量相当大，必须要大容量的计算机进行超长时间的运算，所以这一方法对于复杂焊接结构变形进行预测是十分不经济的。最近发展的固有应变有限元法能够针对焊接后焊缝和近缝区之间的应变进行计算，而不会涉及到焊接的全部过程，因而能够相对准确的对焊接变形进行预测，与此同时比较小的计算量也确保了其经济性。

1建模过程和网格的划分

使用ABAQUS软件来对于船体分段的壳板肋板以及其他装配件进行集合建模，随后在在进行网格化分之前要分理处焊缝区，确保加载和焊缝网格生成的过程。固有应力和固有应型提出与日本，应用于现在一些焊接剩余应力以及焊接变形的计算过程，固有应变则是焊接过程中伴随温度上升产生的压缩性塑形形变以及温度下降时产生的压缩性应力之和。随后采用S4R壳单元来对于一些规则区进行划分比较，在复杂区域则使用自由划分的方法。在选取材料的时候，因为船用钢和工程合金钢具有十分相似的性质成分，所以参考了有关工程手册之后对于钢的物理性质以及热力学性质进行分析模拟，做出参数曲线后对于其计算进行迭代和修正，得到合理的用钢参数曲线。热力学性质曲线可以分为三种，首先是杨氏模量曲线，在500摄氏度以内的时候一直下降幅度娇小，随后五百到一千摄氏度的时候斜率降低到最低，大于一千度的时候斜率上升。屈服强度的变化曲线与此相似，而泊松比和热膨胀系数随着温度升高逐渐增加，变化趋势十分稳定。

2边界条件以及载荷标准

选取三种不同的焊接顺序，在模拟装配以及焊接施工的过程中进行胎架点焊的固定，然后进行三相的唯一约束。首先第一种方案中采用内壳板对接焊以及结构间立角焊，壳板进行横向的构建焊接过程，船中间想两舷对策的进行施工，壳板和纵向的构建进行焊接，船壳板进行封底焊，最后拆除强化后的结构。第二种方法和第一种之间的区别在于壳板和纵向构件进行焊接，壳板和横向构件进行焊接，第三种则是采用壳板和纵横向结构直接焊接，然后以构建之间的矩形块为单位来进行焊接，从船中间向四周进行焊接。探讨不同的焊接顺序对于焊接变形的影响的过程中只要确定了固有应变的总和以及其位置就能确保精度，通常采用的方法是把平均固有应变放在焊缝和其附近的一个固定的举行区域当中，随后在有限元计算的过程中把热弹性进行有限元分析所得到的焊接构建固有应变就可以按照实际的焊接顺序来进行加载。计算的过程中只改变加载的顺序就可以模拟不同的焊接顺序方案。

3计算结果的分析

对边界条件以及载荷情况进行计算得到数据，对数据进行横向变形纵向变形以及综合性的分析。

3.1横向变形

做出不同焊接顺序下船体哥哥分段之间拆除强化构建之后得到的横向焊接变形图，为了能够进一步的比较焊接顺序不同的情况下船体分段的焊接变形情况，笔者选取了肋上壳板以及纵骨根部的一些交点作为最基本的计算点，对各个点进行计算和编号，取各个计算点焊接前后的变化情况，变形后绘制成曲线图。根据焊接的变形云图可以得到各焊接变形整体来说都会靠近中心出现轻微的收敛情况，随后外舷向外侧展开，最后对于焊接顺序的不同情况比较可以看出顺序当中第一分段出现的外张形变比较小。

3.2垂向变形

对不同焊接顺序的船体分段进行焊接变形云图的绘制，可以得出不同的焊接顺序其垂向的变形分布十分相似，两舷的侧骨架在分段的底部都有不同程度的垂向形变，随后沿舷侧的纵骨方向来分布进而反映出各个分段之间发生的纵向变形情况，与此同时从分段底部来看的话可以看出每个焊接顺序下肋骨和纵骨之间都会出现不同形式的内凸情况。处于更清晰的体现出每个部位之间的垂向变形情况来采取几个比较特殊位点的交点来提取计算结果，分别得出各个电的高度变化情况，然后绘制出每个计算点的垂向焊接变形曲线。从结果可以得出不同焊接顺序下第四节纵骨的垂向变形差别娇小，其余的变形均明显大于第四组，统一焊接顺序下纵骨若越靠近船舷则具有越大的垂向形变值。总体来说第一顺序的船体分段具有娇小的垂向变形情况。

3.3结果分析

第一方案当中的焊接顺序是由船中央向两舷之间进行对称的横向焊接，这一过程确保了分段的横向刚度的同时，船中向两舷进行纵向焊接构件的时候会产生形变约束来一定程度上一直收缩变形情况，横向构件因此成为纵向构件的支撑点，一直纵向进行的收缩变形。第二种方案具有着和第一种方案截然相反的结构，对纵向构件进行焊接的时候会因为纵向构件产生的变形导致焊缝远部的构建产生收缩变形，在这一过程中获得了较高的纵向强度，却因此也抑制了焊接引起的纵向变形，导致焊接引起的横向变形受到抑制，所以从横向收缩和纵向下垂两方面考虑第一方案均优于第二方案。在第三方案当中运用的焊接顺序在第一第二焊接顺序之间，根据实验结果进行分析可以得知横向扩张以及纵向下垂的过程均介于第一第二焊接顺序之间。三个方案都设置了工艺加强设置，当撤出强化构建之后舷侧收到的约束接触，由弹塑力学可以分析得出这一过程等价于在分段当中施加了一个和原焊接变形收缩力方向相反而大小相近的力，所以焊接引起的弹性变形和塑性变形都会因此回复导致三个不同方案都产生外张的形变。

结束语：

通过对数值进行仿真分析可以得出结论，三种焊接顺序条件下船体分段焊接的形变情况均保持扩张的趋势，而在同一焊接顺序下如果纵骨越靠近舷侧就会产生越大的形变值，与此同时在不同的焊接顺序下纵骨和纵骨的距离越小就会出现越明显的垂向差别。对三种焊接顺序得到的船体分段互相进行比较会发现第一顺序的焊接过程都具有了较小的横向和垂向形变，是可选择的最好的焊接顺序。

参考文献：

[1]刘黎明，梁国俐，刘玉君，郑赞，张崇华，&刘培晟.（2002）.基于人工神经网络的船舶高强钢焊接变形分析预测.焊接学报，23（1），27-29.

[2]史雄华，王江超，向生，&陆俊生.（2017）.焊接顺序对加筋板船体结构变形影响的数值分析.武汉地区船舶与海洋工程研究生学术论坛.

[3]王阳.（2015）.大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用.（Doctoraldissertation，上海交通大学）.