T形焊接接头残余应力与变形的三维数值模拟

焊接残余应力和变形是个长期困扰船舶行业的难题。本文介绍了预测焊接残余应力和变形的基本数值理论,用MSC.Marc有限元分析软件对T形接头的焊接过程进行了实时三维数值模拟,并对焊接温度场、残余应力分布以及角变形计算结果进行了分析说明。     

不同约束条件下T型板残余应力及极限强度研究

利用ANSYS Workbench软件通过热-固耦合的方法对T型板结构的焊接过程进行模拟,获得不同应力边界条件下焊接残余应力及变形;然后将残余应力和变形分别添加到力学模型中,同时施加位移载荷研究具有焊接初始缺陷的T型板结构压缩极限强度.结果表明:在焊缝及热影响区存在着较大的拉伸应力,T型面板呈现角变形状态;在分别添加焊接残余应力和变形情况下,T型板极限强度都有下降,焊接残余应力对T型板极限强度的影响较焊接变形影响大.     

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳稳定性的影响

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性是否有影响是个非常值得关注的问题.文章对深海耐压环肋圆柱壳结构的焊接残余变形和残余应力进行了分析,并进行了相关试验数据验证.由于耐压结构壳体和肋骨的焊接残余应力相对偏小,然后着重研究残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性和极限承载能力的影响.结果表明:焊接残余变形对耐压舱段结构的稳定性和极限承载能力影响不大;叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少;计算结果更偏于工程实际.     

船用大尺度薄板焊接工艺仿真及变形机理研究

针对船用大尺度薄板焊接冷却后存在残余应力导致焊后变形的问题,采用有限元模拟的方式,利用双椭圆热源模型对不同尺寸的薄板进行研究.研究了焊接工艺对薄板变形的影响规律,探讨不同焊接速度下的变形机理.结果表明:不同薄板尺寸的边缘位置变形较大,中间位置有更多的时间释放残余应力,变形程度主要受温度梯度影响,焊接速度越小变形越明显.     

焊接变形和应力对甲板板架极限强度的影响

船舶建造过程中,焊接引起的结构变形和应力对船舶结构性能产生影响。以典型船舶甲板板架为例,研究焊接初始缺陷对甲板板架极限强度的影响。采用数值仿真方法模拟甲板板架的焊接过程,获得结构焊接变形和残余应力,对含初始缺陷的板架结构施加轴向压缩载荷,计算板架结构的极限强度,并与理想结构进行比较研究。结果表明,轴向压缩载荷下,甲板板变形过大是引起板架整体失稳的主要因素;焊接变形及残余应力显著地削弱甲板板架极限承载能力,焊接初始缺陷降低甲板板架整体刚度,影响结构失效模式。     

船体焊接残余应力的数值分析

船体在焊接过程中产生的焊接残余应力不仅会降低船体结构的性能,还会使得建造精度难以控制,从而最终影响到船舶建造质量.本文以热弹塑性理论为基础,利用ANSYS非线性分析有限元程序,对船体结构焊缝进行了数值分析,获得了焊接顺序、构件尺寸对残余应力分布的影响规律.分析结果显示,分段焊接可以有效降低残余应力的峰值,尤其是对控制横向残余应力更为明显,焊缝方向上的残余应力会造成较大的残余变形.本文研究结果为优化生产工艺,控制残余应力提供了理论依据.     

潜艇结构的焊接残余应力研究现状

潜艇结构在焊接过程中产生的残余应力是关系到结构安全的重要指标.由于焊接是一个涉及到热、力、冶金等多学科的极为复杂的过程,要对其进行准确预测十分困难.本文首先对与潜艇相关的厚板、环焊缝和压力容器焊接残余应力的技术现状及存在的主要问题进行论述;然后介绍潜艇焊接残余应力的试验和模拟;并对残余应力影响潜艇结构疲劳强度和稳定性以及潜艇结构残余应力消除技术等方面进行了详细论述和总结;最后指出了一些尚待进一步研究的问题.     

T型材角接焊的变形和残余应力分析

T型材焊接不仅常用于现代造船工程中,而且在近海平台和桥梁建造中也得到广泛应用.焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生焊接变形和残余应力.焊接变形和残余应力的存在,将影响钢结构的建造质量及疲劳强度.为预测焊接变形,基于ANSYS有限元软件应用于对T 型材焊接过程进行模拟,求解残余变形和残余应力分布情况,以及边界约束条件对它们的影响.通过分析可得出,焊缝上的各点在焊接过程中,加热时受压应力,冷却时受拉应力.在热影响区内,沿焊缝方向多为拉应力,垂直焊缝方向多为压应力,也符合纵向应力比横向应力大的特点.     

焊接工艺参数对焊接变形及残余应力的影响

为了研究焊接工艺参数对焊接变形及残余应力的影响,文章基于非线性有限元法对平板对接焊焊接过程进行了数值模拟,结果表明:对于焊缝中心线上任一点,横向变形随外界环境温度的升高而减小;在3种热源功率下,最大横向变形均出现在焊接末端,其值随热源功率的增大而减小。说明外界环境温度越高,焊接效果越好,焊接热源功率越大,焊接效果越好。     

确定焊接反变形的数值模拟及规律分析

焊接接头附近局部的加热及冷却使被焊结构产生残余应力及角变形.目前在船厂精度控制中,通常采用构件焊接后对某些部位进行火工校正的方法来控制残余角变形.文章提供了另外一种有效控制结构残余角变形的方法:对结构焊前施加弹性的反向变形.利用热弹塑性有限元法来模拟结构的焊接过程,并对不同板厚、不同热源的结构分别进行数值模拟,最终确定焊接结构的弹性反变形规律:焊接前施加弹性反变形的结构在焊接后角变形趋于零.     

T型焊接结构的角变形控制

T型焊接在船舶结构中的应用是非常广泛的.T型接头附近局部的加热及冷却使被焊结构产生残余应力及角变形.目前在船厂精度控制中,通常采用构件焊接后对某些部位进行火工校正的方法来控制残余角变形.论文提供了另外一种有效控制结构残余角变形的方法:对结构焊前施加弹性的反向角变形.文中首先利用热弹塑性有限元来模拟未施加反变形的结构的焊接过程,以估算残余角变形;然后模拟施加了弹性反变形的结构的焊接过程,并计算此时结构的残余角变形,以最终确定构件所需要的弹性反向角变形值.施加了弹性反向角变形的构件在焊接后无需进行火工校正.     

模块化大型钢结构焊接变形控制

重点研究如何控制模块化大型钢结构焊接期间的变形.以Koniambo镍矿项目为例,详细分析焊接变形产生的原因,对出现的焊接变形的类型进行了归纳.提出在建造过程中为控制焊接变形须采取的必要措施.     

角焊缝角变形产生机制的研究

以T形焊接接头为算例,用有限元数值计算方法研究了六个固有应变分量各自对角焊缝角变形的作用效应,发现导致角变形产生的主要因素是与焊缝平行的平面内垂直于焊缝方向的固有剪切应变分量;将该固有剪切应变分量以均匀和非均匀两种分布形式施加在焊缝区,发现只有非均匀分布的固有剪切应变使焊接接头产生角变形.由此可知:角焊缝角变形产生的主要原因是在焊缝及其附近区域不均匀分布的固有剪切应变分量,而不是板厚方向上非均匀分布的横向固有正应变分量.此结论指出了关于焊接角变形产生机制的传统思维的认识误区,对研究预测角焊缝角变形简化方法具有指导意义.     

薄板焊接变形高精度预测方法的研究

采用固有应变方法预测焊接变形时,传统方法是把纵向收缩、横向收缩和角变形这三成分作为接头的固有变形来估算焊接变形。但是,由于薄板的刚度低,在纵向方向上的弯曲变形也较明显,采用传统方法会影响薄板焊接变形的预测精度。为提高精度,文章对传统的方法进行了改进,开发了包括考虑纵向弯曲在内的四成分固有变形数值计算方法来预测薄板焊接变形。数值模拟结果表明:运用该方法预测薄板的焊接变形时,比传统的方法有更高的精度,而且预测结果与热弹塑性有限元的模拟结果十分吻合。     

EH36船用钢焊接角变形有限元分析

采用有限元分析方法,根据实际焊接工艺过程,对船舶常用低温高强钢EH36中厚板的二道焊缝焊接温度场及焊接角变形进行了分析.中厚板焊接常为二道的埋弧焊接,在有限元分析中采用生死单元技术进行处理.有限元分析结果显示焊接温度场关于热源中心对称,同一厚度截面方向的节点处的焊接变形相同,而在横向由于焊缝在厚度方向收缩的不均匀性,处于焊缝间隙大的截面的节点焊接变形要大于处于小间隙截面的节点.实验结果证明了有限元分析的准确性.     

一种基于LabVIEW的摄像机非线性畸变标定方法

摄像机标定是机器视觉系统成功应用到自动化生产领域的关键环节，也是船舶焊接自动化工程中的关键技术。提出了一种基于LabVIEW的摄像机非线性畸变标定方法,该方法在Tsai两步法和Brown模型的基础上,考虑了工业相机的实际要求,优化了畸变参数并简化了畸变模型。采用德国Basler工业相机及其配套镜头,使相机工作距离为100mm,通过LabVIEW平台和圆点标定板,分别对三种方法的标定精度和校正效果进行实验分析,实验测得数据与理论数据对比结果表明畸变误差的平均值为0.0003 mm,畸变为0.0147%,可以满足基本的工业检测精度要求,同时能将标定结果保存为独立文件,以便快速地标定。较传统方法在精度和灵活性方面有所改进。     

激光技术在船体火工矫正上的应用

激光技术由于其系统的先进性和相对低的设备价格正不断地在扩展着它的应用领域.为此,激光作为一种创新的热源亦能应用于例如平面分段船体结构的自动火工矫正.本文将介绍一种新开发的激光钢板矫正方法.这项激光技术的开发应用是德国联邦经济与技术部(BMMi)促进的一揽子综合开发计划中的一个成果.     

水火弯板变形的描述方法

在分析了角变形、线变形描述法和位移场描述法的基础上，提出了水火弯板变形的整体描述法。实验及有限元计算表明，水火弯板的变形非常复杂，一般所用的角变形线变形描述过于简单，不能精确描述水火弯板的变形场。用位移场描述水火弯板的变形又因计算结果的复杂性而难以实现。如果从整体变形角度考虑，水火弯板的变形可以用变形后的上下表面形状、平面内的扭曲变形、沿板宽变化的横向收缩及沿板长变化的纵向收缩全面描述，并可进一步由计算结果得出合适的曲面方程及收缩变形函数。     

船舶甲板分段纵骨焊接变形和残余应力数值模拟

基于非线性分析软件Abaqus,采用顺序耦合的热弹塑性有限元方法研究典型船舶甲板分段纵骨焊接的变形与残余应力问题。焊接过程中的温度场分析采用具有截面积分shell单元的shell/solid模型,移动热源为高斯分布与均匀体组合热源,材料考虑应变随温度变化的特性。通过与T型接头焊接实验结果对比,验证了方法的可靠性。在此基础上,计算分析了甲板分段纵骨焊接的整体变形和局部板格变形,并讨论了外板纵向和横向焊接残余应力分布规律。