大型船舶结构焊接变形固有应变法预测研究

王建兴

摘 要：近些年来，伴随着船舶的逐渐大型化，对船舶结构的稳定性提出了更高的要求，而焊接质量会在很大程度上影响船舶的结构强度，例如焊接材料匹配、焊接参数选择、焊接温度控制以及焊接变形处理等，都会严重影响船舶的安全性与稳定性，因此，计算的精细化以及高水平的工艺和操作保证等都是控制船舶焊接质量的关键。目前，焊接技术作为现代工业中极其灵活、常见的一种连接技术，其更是受到了社会各界的密切关注，越来越多的技术人员已经投身到相关课题的研究中，本文也主要针对固有应变法的基本概念、具体方法等方面的内容进行分析，希望能为船舶结构稳定性的提升提供一定的帮助。

关键词：大型船舶； 焊接变形； 应变法

中图分类号：TG44 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2017）08-0154-02

Abstract：in recent years， along with the ship gradually large， put forward higher requirements on the stability of ship structure， and the welding quality will affect the strength of ship structure to a great extent， such as welding materials， welding， selection， temperature control and welding deformation of welding parameters， will seriously affect the safety of and stability， so the calculation of ship， fine and high levels of technology and operation are the key to ensure the welding quality control of ship. At present， as the connection of welding technology in modern industry is extremely flexible， a common technique， which is paid close attention by all sectors of society， more and more technicians have devoted themselves to the related research， the basic concepts， this paper mainly aims at the inherent strain specific methods such as content analysis， hope can provide some help for the improvement of ship structure stability.

Key Words：large ship； welding deformation； strain method

焊接變形是影响船舶使用寿命与应用效果的因素之一，如何有效控制焊接变形一直是工业开展中亟需解决的一个重要问题，而我国技术人员对于该问题的解决主要从两大方面入手，第一是有效提升计算精度，第二则是降低时间成本。目前，固有应变法在船舶结构焊接中得到了十分广泛的应用，但是其也不可避免地存在一定的缺点，例如计算效率低、成本高等。因此，其在大型船舶中的应用十分有限，所以，相关的技术人员应该加强对该方法的完善与改进，有效提升计算效率，控制结果准确性[1]。

1提升焊接变形计算精度的具体方法

1.1结构简化

结构简化对于降低计算难度、提升计算精度来说起着非常重要的作用，其中对称模型在结构简化中具有非常广泛的应用，在该模型中，其只需要焊接结构的一半，然后再利用对称原理完成另一半的焊接，其能够有效简化工程操作，减少技术人员的工作量，然而在该方法的应用过程中，应该注意部分焊接前不对称而焊接后对称的结构，例如在T型结构中，技术人员就需要通过有效控制温度系数，从而保证结构两边焊缝的精度。目前，我国对于焊接系数的标准体系还不够完善，且实验数据的精确度也相对较低，这使得该方法存在较大的局限性，但是其对于提升计算精度的作用还是不容忽视。

1.2模型简化

在大型船舶结构的焊接中，其往往通过组合焊接的方法实现模型的简化，首先，技术人员需要对焊道进行焊接；其次，在简单的焊道模型基础上进行结构的受力分析，保证结构受力的稳定性，例如通过平面模型代替立体模型就能够有效简化计算步骤，降低计算难度，提升结果的精确度，并且通过平面模型的分析，能够将得到的数据进行转化表达，从而达到同样的分析目的，降低运算成本；最后，对于结构复杂的模型，该种方法的简化作用则更加明显，例如通过板壳单元计算结构的变形程度就能够有效降低工作人员的计算成本。总而言之，模型简化对于计算精度的提升来说起着非常重要的作用。

1.3并行计算技术

该技术主要适用于结构网格的重新规划与分析中，其能够有效提升计算效率，并且能够使得大量的网格跟随着热源的具体位置偏移，并在误差范围偏大的情况下自动重新规划，直到所有网格的距离控制在合理的范围内。在该分析方法中，之前网格的位置分布需要映射到新结构中，从而为进一步的分析与计算奠定基础，目前，该方法在结构焊缝的激光焊接中具有十分广泛的应用，其能够有效消除结构在焊接过程中产生的瞬态应力误差，同时忽略在温度变化时网格距离的改变，从而有效保证结构稳定性。目前，该方法的应用难度主要体现在需要有效提升设备的整体性能，为该种计算技术的应用提供一个良好的平台。

2大型船舶结构焊接变形固有应变法的具体应用

2.1有限元法

有限元法是大型船舶焊接变形分析中十分常用的一种方法，但是其也不可避免地存在一定的缺点，例如成本偏高、效率偏低等，因此，为了有效提升分析效率，技术人员往往根据结构的具体精度要求选择不同的分析模型，在传统的计算方法中，其一般使用平面模型，但是伴随着我国计算机技术水平的高速提升，立体模型也逐渐投入使用。目前，我国的有限元法的计算准确度虽然较高，但是由于计算机设备水平的局限性，使得该种方法的大范围普及与推广存在一定的局限性，因此，当下该方法一般应用于较为简单的结构模型中，对于复杂的结构该种方法并不具有适用性。在实际的焊接作业中，例如对于碳钢的焊接来说，由于结构局部的高速升温，使得该部位膨胀拉伸，而未加热的部位则无法自由拉伸，其对结构局部的形变产生一定的约束性，这会对结构的稳定性造成很大的威胁，因此，这要求相关的技术人员需要挖掘固有应变的变化规律，通过有限个单元的计算分析结构的受力情况，从而提升结构的安全性与稳定性。

2.2初应变法

若需要对结构的受力情况进行分析，那么就需要通过计算固有应变值以及其具体的分布情况，即可获得准确的结果，在实际应用中，技术人员一般是在结构中明确一个矩形区域，然后将固有应变施加于该结构中，使得压力能够根据结构的具体方向呈现线性分布的特征，例如在T型梁的焊接变形中，如图1，相关的技术人员就需要对T型梁结构中固有应变的具体分布以及分布规律具有详细的掌握，使得在特定的数据范围内，固有应变值以及偏心距不发生变化，则就可以有效控制计算精度。

2.3 ANSYS 软件的应用

伴随着计算机技术水平的高速提升，计算机软件在船舶结构焊接变形分析中的应用越来越广泛，计算机的应用能够有效保证计算精度，提升工作效率，减少工作人员的计算负荷。在计算机软件的应用中，ANSYS 软件的应用尤为广泛。首先，技术人员需要在软件中输入各种材料的热膨胀系数、计算公式以及分布规律等参数，使得技术人员能够对焊接过程中结构产生的形变具有明确的控制；其次，技术人员需要将应变载荷施加于焊接位置以及周围的结构单元上，并对其进行相关的分析，获得准确的形变代入值，在此过程中，技术人员应该注意对于不具有形变的结构单元其热膨胀系数应该明确为零；最后，技术人员需要对整体的焊接工程进行全面的监控，记录每个时刻各个结构位置的固有应变值，从而为后期的检查工作提供一定的数字依据，挖掘固有应变的具体分布规律，有效保证船舶结构的焊接质量。焊接作业的本质就是将单位结构迅速升温，然后再迅速冷却，结构的温度变化与热源的具体位置具有非常紧密的联系，因此，这要求相关的技术人员需要严格控制结构固有应变的具体情况，通过ANSYS 软件的应用，有效保证结构稳定性。

在ANSYS 软件中，其无法将固有应变直接施加于船舶的结构单元中，因此，技术人员往往是通过结构的具体位置坐标，分析在不同的材料方向中固有应变的具体情况，挖掘其实际变化规律，从而实现准确的固有应变施加。在一般情況下，全部单元结构的固有应变值都是一样的，但是其分布却是不明确的，并且结构两端受到的约束力普遍偏小，但是技术人员也不可对其忽略不计，否则其会使得计算结果与实际情况产生较大的偏差，这要求相关的技术人员需要建立多样的材料模型，并且使用对应的单元数据，虽然这会在很大程度上增大工作人员的工作负荷，但是其对于计算精度的保障具有较大作用[2]。除此之外，技术人员也可以通过在同一材料基础上加载不同的温度分布，从而计算出准确的固有应变值，有效保证船舶结构的稳定性与安全性。

3结论

综上所述，可靠、有效的固有应变预测方法对于船舶结构的稳定性与安全性来说起着非常重要的作用，因此，这要求相关的技术人员应该采取必要的措施加强对固有应变预测法的分析，并在ANSYS软件的应用基础上，有效利用软件提供的大量膨胀系数，并通过单位固有应变，使得温度荷载按照一定的规律分布，解决固有应变分布不均匀的问题，从数据积累来实现焊接控制，从而为船舶结构的稳定性提供一定的保障，保证船舶的顺利、安全通行，避免安全事故的发生对日常通航造成的负面影响。

参考文献

[1]夏洋.焊接变形的高精度测量方法及预测方法研究[J].机械工程学报，2016（05）.

[2]王阳.惯性释放法在大型复杂结构焊接变形预测中的应用[J].船舶力学，2016（09）.