Q690厚板对接焊残余应力评估及其对焊接接头断裂性能的影响

[目的]旨在研究高强钢厚板多层多道焊的复杂焊接残余应力,评估其对焊接接头断裂性能的影响。[方法]以75 mm厚Q690高强钢板为研究对象,制定多层多道对接焊工艺,完成对接接头的焊接,使用轮廓法获得中剖面的纵向残余应力,基于自主开发的高效热−弹−塑性有限元计算方法,再现厚板多层多道焊的热循环、微观组织演变等现象,将单轴拉伸试验与GTN损伤模型相结合,提出Q690高强钢板的GTN模型参数,分析金属母材及焊接接头试样的断裂特性和应力−应变曲线。[结果]采用所提方法预测的厚板对接接头熔池形状、金相体积分数都与试验测量基本吻合;考虑焊接固态相变和高强钢轧制初始应力的力学分析,得到的焊接残余应力与试验结果高度一致,并得到了横向残余应力分布;考虑焊接微观缺陷及横向残余应力,阐明了残余应力影响焊接接头断裂性能的力学机理。[结论]相关研究可为高强钢厚板焊接结构残余应力及断裂性能评估提供借鉴和指导。

环形加筋圆柱壳的焊接残余应力及振动特性研究

[目的]旨在评估环形加筋圆柱壳的复杂焊接残余应力及其对结构振动特性的影响等。[方法]首先,采用二氧化碳气保焊实现环形加筋圆柱壳的焊接,使用非破坏性的X(XRD)测量关键区域焊接后以及退火热处理后的焊接纵向残余应力。其次,通过高效的热−弹−塑性有限元计算,分析焊接过程中的温度场和残余应力,并研究移动体热源和固定热源模型对焊接模拟结果的影响。最后,在自由状态下测试环形加筋圆柱壳焊接后以及退火热处理后的结构振动特性,并通过有限元法预测结构振动模态及其固有频率。[结果]基于试验测量、焊接热−弹−塑性以及结构模态有限元计算,得到了环形加筋圆柱壳热处理前后的残余应力和振动特性。[结论]固定热源模型可以高效地预测环形加筋圆柱壳的热力学响应,预测的焊接残余应力与测量结果基本一致;退火热处理工艺可以有效消除焊接残余拉应力,且焊接残余应力对环形加筋圆柱壳的振动特性影响甚微。

曲面分段全建造流程的误差累积及精度预测

以海洋平台典型曲面分段为研究对象,梳理建造企业对切割和弯曲工艺的精度要求及误差响应,以及焊接工艺对应的典型接头力学载荷,并将其作为曲面分段建造的源头误差。基于弹性有限元方法,分析焊接工艺对曲面分段建造精度的影响;考虑切割和弯曲误差对焊接工艺的影响,并预测闭合加工误差的焊接工艺及其产生的焊接变形。为提升曲面分段建造精度的评估效率,建立基于遗传算法的BP(Back Propagation)人工神经网络,并以27组数据为训练样本,以9组数据为验证样本检验其预测的准确性。通过弹性有限元分析研究不考虑、保留及矫正切割和弯曲加工误差等3种情况下的曲面分段建造精度,结果发现三者存在明显差异。考虑切割、弯曲的加工误差及其焊接闭合工艺对曲面分段的建造精度的显著影响,基于遗传算法的BP人工神经网络具有极高的预测精度和稳定性。

基于压条拘束的薄板接头焊接失稳控制

将焊接试验与数值模拟相结合,对采用压条拘束控制的2种典型焊接接头失稳变形机理进行了研究。基于热-弹-塑性有限元方法,分别再现5mm厚对接接头和T型接头在常规自由态和压条拘束下的焊接过程,将2种接头计算得到的面外变形与焊接试验后测量的面外变形进行对比,从而验证所采用的有限元计算方法的准确性。分别计算对接接头与T型接头在不同压条拘束距离下的面外变形,并分析拘束距离对2种接头焊接失稳变形的控制效果;比较不同拘束距离下接头的焊接温度场及固有变形,阐明压条拘束控制2种焊接接头失稳变形的机理。结果表明:施加压条拘束使对接接头的纵向固有收缩和横向固有弯曲均减小,从而控制其焊接失稳变形;T型接头施加压条拘束后,几乎不影响纵向固有收缩,但使得横向固有弯曲显著减小,从而达到控制焊接失稳变形的效果。

基于高频感应加热的船用钢板材弯曲成形

在船舶建造过程中,高频感应加热是实现船体板材高效高精度弯曲成形的重要方法。首先采用25 kW新型高频感应加热设备,进行不同感应加热过程及工艺的试验,得到典型弯曲形式的船体外板(马鞍型和帆型)。同时,采用三坐标定位仪进行面外弯曲变形的测量和曲面重构,得到试验板材面外弯曲变形的分布和数值。通过热-弹-塑性有限元分析与弹性有限元分析两种方法,计算预测板材在高频感应加热作用下的面外弯曲变形,两种数值方法预测的板材面外弯曲变形趋势和数值与测量结果比较吻合,且在弹性有限元分析中,计算机资源消耗少,计算结果精度高。

纯稳性丧失衡准实船分析研究

随着第二代完整稳性衡准的制定,作为一种独特的波浪中稳性问题,纯稳性丧失衡准即将在未来几年内作为建议性要求被国际海事组织(IMO)颁布执行并应用于实船设计。而当理论研究成果向实际工程应用转化时,有必要进行大量适用性研究以便勘验、提高该方法的鲁棒性。论文介绍了基于经验公式的Level 1衡准和基于分析波浪中考虑物面非线性影响GZ曲线特征的Level 2衡准方法,通过分别采用这两种方法针对不同类型38条实船的数值预报研究,分析了不同船型、尺度和装载工况的实船设计对于纯稳性丧失衡准的敏感性。在此基础上介绍了适用Level 2衡准的两种进水角计算方法,通过对比分析了两种进水角计算方法对于敏感性预报结果的影响及其适用性。根据以上研究,对IMO现有衡准方案存在的问题提出了若干改进建议。

基于固有变形的船用钢薄板对接焊失稳变形的数值分析

以焊缝的固有变形为依据,阐明船用钢薄板对接焊失稳变形产生的内在机理。同时,以固有变形为输入参数,通过弹性有限元分析的数值模拟,预测出可能产生的失稳变形模态和变形值。最终通过4种不同的工艺方法(激光焊、瞬态热拉伸、随焊激冷和间断焊)来减小固有变形的数值,并控制薄板对接焊接头可能产生的失稳变形。

海洋平台筒式桩腿结构的焊接变形预测和消除

针对海洋生活平台桩腿的齿条与筒体焊接变形问题,基于迭代子结构法(ISM)和多核并行计算技术的高效热-弹-塑性有限元计算代码,依据结构对称性的特点,建立实际齿条与筒体焊接结构的1/4有限元模型,预测的焊接变形和测量结果趋势一致,数值基本吻合。为了提高建造精度,采用在筒体内表面进行堆焊的工艺措施,产生反变形,抵消齿条与筒体焊接产生的变形,焊接变形量可减70%。

基于显式求解的板材卷制成形力学行为分析

三辊卷制成形是船体外板弯曲成形加工的主要方法,影响船体建造的精度和效率。针对船体外板的三辊卷制成形过程,基于ANSYS软件和LS-DYNA软件的非线性显示求解,考虑轴棍-板材的接触问题和卷制成形的力学行为,预测板材弯曲形状与实际测量数据基本吻合。同时,研究板材材质、上辊下压位移和下辊间距等对板材卷制成形精度的影响,建立各工艺参数与板材卷制曲率半径间的数学关系,并进行验证。

船体结构焊接变形的预测与控制研究进展

综述船体结构焊接变形预测与控制技术的研究进展。分析各种焊接变形预测和控制方法的特点,重点阐述几种预测方法:基于有限元分析的热弹塑性法和等效载荷法,以及基于数据挖掘的焊接变形预测法。同时,概括了几种船体结构焊接变形的控制方法:双丝旁路耦合电弧熔化极气体保护焊(Double ElectrodeGas Metal Arc Welding,DE-GMAW)、激光-电弧复合焊接技术和搅拌摩擦焊等先进焊接技术,优化焊接工艺参数、改变焊接顺序、改变约束方式等焊接工艺措施,以及施加反变形、控制温度场、综合分析等。相信近几年大数据、深度学习、机器人等领域的高速发展也会给船舶行业带来更成熟、有效的预测理论及更精确的变形控制技术。