大型船体焊接变形仿真技术研究及其应用

王建红

(渤海船舶职业学院， 辽宁 兴城　125000)

船舶工业是一种综合性现代产业，能够为海上交通、海洋开发和国防建设提供技术装备。而在船体焊接过程中，一旦出现受热和冷却不均匀、局部材料的不协调性应变等现象，就会出现焊接变形的问题，降低船舶的承载力。为此，要采用有效的焊接变形技术，转变现今的造船模式。

1　大型船体焊接变形仿真技术研究

1.1固有应变预测技术

固有应变是一个比较老的概念，从二十世纪九十年代被应用于热加工过程的应力和变形中，在船体焊接变形的控制等方面取得了进展。简单来说，固有应变就是指内应力的产生根源，是在热循环之后残留物引起的残余应力和变形的应变。固有应变主要存在于焊接的接缝以及附近区域，对于简单的船梁或护板的焊接变形予以用残余塑变计算，而大型的焊接结构就要使用固有应变预测法积极性解析计算。例如，当船体组成部件由于受热不均匀未能发生塑性变形，这时固有应变ε就是热应变和塑性应变的总和，计算公式为：

ε=εp+εT+εX，

(1)

式中：εp为塑性应变；εT为热应变；εX为相变应变。

焊接变形与固有应变的大小和分布有关，在这其中存在着4个决定性参数分别为竖向固有应变和的Wx，横向固有应变和的Wy，以及分别表示到Wx和Wy的截面中心距离的Z和e。若要预测焊接变形只需要确定固有应变总和和位置即可，最简单的方法就是把平均的固有应变作用于焊接接缝和附近的区域。

1.2热弹塑性有限元技术

热弹塑性有限元理论法包括传热学理论、温度场的理论和应力理论。其中传热学理论遵循热力学第一大定论，有热传导、热对流和热辐射3种热传递方式。温度场是随着焊接构件的温度在时间和空间而变化产生的，由于材料会随着温度剧烈变化并存在熔化和相变潜热的问题，属于非线性瞬间热传导。应力理论是针对焊接过程中的焊接应力和变形，有本构关系、相容性关系、平衡条件和相应性边界条件4个基本关系。

热弹塑性有限元仿真理论综合以上的3个理论，通过特定的时间对整个焊接过程的焊接温度进行计算，并且可以对每个时间段的应力变化增减量精确计算，再通过累积叠加最终算出残余应力和变形。

2　大型船体焊接变形仿真技术的应用

2.1基于固有应变预测技术的焊接变形应用

固有应变预测法的应用主要的目的就是提高船舶制造的精确和质量，在应用的过程中最关键的步骤就是建立和完善船体的固有应变数据库，并基于这个数据库完成焊接变形计算机仿真系统的安装[1]。例如，以一艘60 000 t的多用大型船中的No.4货舱为例，该货舱的结构是焊接双层底且分段，在应用的过程中要建立模型，计算焊接变形数据，最终通过检验对船体的原有固有应变数据进行修正，以完善固有应变数据库。第一步，建立研究对象预想条件下的船体焊接固有应变数据库，然后以这个大型船为建立有限元模型的原型，综合利用专业的仿真软件如WSDP对模型进行焊接试验和计算。第二步，对实际的双层焊接的分段焊接变形参数进行测量，然后同软件计算的有限元模型的焊接数据对比，若两者的计算结果相同则达到了固有应变预测技术应用的效果，同时也避免了焊接变形问题的出现，设计流程如图1所示。

图1　设计流程图

固有应变数据库在船体焊接变形中是重要的一个环节，利用的软件主要就是WSDP。同时，由于固有应变多出现在焊接接缝会受到诸多因素的影响，所以可以通过大量的计算和分析将固有应变的计算公式进行简化。

Tf=0.016KEh2，

(2)

δ=0.006Kh,

(3)

式中：Tf为纵向力，N；K为修正系数，其值在0.6～1.0之间；h为板厚；E为材料的弹性模量[2]；δ为横向收缩量，mm。

WSDP软件是焊接变形预测的专用软件，以固有应变预测理论为基础，利用弹性板有限元计算焊接变形数据[3]。例如上一个例子，在建立完固有应变数据库后，就要利用这个计算机仿真软件对船体的实际结构和需要焊接的部分进行变形计算，并在这一模型的仿真变形中不断地完善焊接工序，提供更有效的预防变形方法。在对60 000 t的双层底焊接结构建模时，先要对整体结构进行简化，结构中的次要结构要在之前就准备完成，此外要对形状复杂板的飞边、小角等会影响计算的形状进行简化。

2.2热弹塑性有限元技术的应用

根据以上介绍可以发现，热弹塑性有限元理论可以综合对焊接的全过程进行考虑。[4]应用热塑性有限元理论因为只能在大型结构的中部和局部区域使用又会受到计算机的计算时间和存储空间的影响，一般是利用3D板单元热弹塑性有限元方法完成焊接变形的预测，其中主要利用的软件为Abaqus。

比如，以一艘约55 000 t的大型船为例，该船的结构仍然为双层底的分段结构。具体的应用步骤为选择3D板单元，重新将现有的有限元模型进行划分构建新的模型，如图2所示。然后，使用热分析软件进行温度场模拟试验。先对出入材料的热属性以及几何模型等进行输入和创建，再通过焊接的边界条件等增加负荷运算，此后将结果利用图形展示。其次，分析焊接应力场。[5]本文选取的是间接式的方法，根据上一个步骤的热分析结果，将热单元改变为结构单元并进行输入结构材料性质等前置处理工序，最终求解、处理。最后，按照构建的模型进行计算和分析。

在焊接的过程中，初始的阶段温度变化区间较大而时间较短，直到冷却阶段温度的变化逐渐减小而时间增加。在计算时，要利用高分辨率的处理器综合整理热分析、结构分析和力学分析结果，利用公式“Wtime=Wlong/v”进行软件计算，整个计算的时间约为30 h，该船的计算结果为双层底结构横向12.6 mm左右，竖向收缩约14 mm。将这个结果同预先的实测结果进行比较可以清楚的发现，热弹塑性有限元技术中的3D板单元法对大型船的复杂结构计算结果更准确和便捷。

3　结束语

总之，对于大型船体而言焊接变形是一个重要的问题，只有应用合理有效的技术才能确保船舶的安全。本文归纳总结了两种焊接变形仿真技术，并通过相应的理论和案例提出了应用步骤。