船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析

为提高焊接热弹塑性数值模拟的效率,采用静态子结构方法实现焊接热传导分析计算。根据船体加筋板结构的重复性和对称性特点,将整个结构根据加强筋划分为若干相同的静态子结构,计算得到1条焊缝的温度分布后,通过温度场的镜像和平移获得整个结构的温度场。以船体加筋板为例,采用静态子结构方法并结合温度场的镜像和平移技术,计算分析船体加筋板的焊接温度场和应力场结果。计算表明,该方法在保证计算精度的前提下,极大地提高了计算效率。     

船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析

为提高焊接热弹塑性数值模拟的效率,采用静态子结构方法实现焊接热传导分析计算。根据船体加筋板结构的重复性和对称性特点,将整个结构根据加强筋划分为若干相同的静态子结构,计算得到1条焊缝的温度分布后,通过温度场的镜像和平移获得整个结构的温度场。以船体加筋板为例,采用静态子结构方法并结合温度场的镜像和平移技术,计算分析船体加筋板的焊接温度场和应力场结果。计算表明,该方法在保证计算精度的前提下,极大地提高了计算效率。     

T型焊接接头残余应力数值模拟研究

焊接是舰船结构连接的常用方法,焊接对结构的声振特性有一定影响,因此需进一步研究焊接参数对结构声振特性的影响规律。

联合运用热弹塑性有限元法和声固耦合有限元法,探究焊接工艺参数对船舶典型加筋板结构声振特性的影响规律。

结果表明：焊接残余应力受焊接输入功率和焊接速度影响明显,焊接输入功率越高焊接残余应力分布范围越大,焊接速度越慢焊接残余应力分布范围越大。船舶典型加筋板结构声振仿真计及残余应力时,其结构固有频率,加速度响应和辐射声压级频谱曲线等均发生改变。其中固有频率随输入功率增加而下降明显。

仿真模型考虑焊接残余应力将提高结构低阶固有频率和响应预报的准确度,研究可为低噪声焊接工艺制定提供指导。

     

焊接顺序对钛合金筒体残余应力和变形的影响

论文采用有限元软件对深海用钛合金筒体熔化焊所引入的残余应力和变形进行了数值模拟,分析了焊接顺序对焊后残余应力和变形的影响。结果表明,采用不同的焊接顺序对整体结构变形趋势影响不大,但对起弧、收弧等局部位置的残余应力和变形影响较大。纵缝焊后变形呈现两端上翘,中部下凹;环缝焊后变形呈现接头区域下凹,筒体两端收缩变短。仅从焊后应力和变形的角度考虑,适用于筒体纵缝的焊接顺序为分段跳焊;适用于筒体环缝的焊接顺序为两段反向对称焊。     

从装焊顺序入手来控制焊接残余变形的方法和应用

焊接过程是一个不均匀加热的过程,以致在焊接过程中焊接结构不可避免地产生残余变形.为了不使焊接产品的质量下降或报废,在焊接作业过程中必须尽可能地避免产生焊接残余变形. 从常规来考虑,根据结构的特点采取不同的焊接方向和焊接顺序、反变形、刚性固定、强迫冷却以及实行事后矫正等方法,去处理那些能够产生严重残余变形的焊接结构.这些方法虽然科学、可靠,但有时在设备不全的工况下操作起来很不方便.利用焊接结构的合理装配顺序对结构变形影响较大的特点,总结两点经验,供参考.     

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。     

环肋圆柱壳结构焊接残余应力和变形的数值模拟

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。

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。

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。

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。

     

固定热源长度对T型接头焊接变形及残余应力精确预测的影响

用固定热源预测焊接结构的变形与残余应力,相比移动热源可有效地提升计算效率,但热源长度对计算精度的影响少有讨论。对此,以Q235钢T型焊接接头为研究对象,分别采用X射线法和三坐标测量仪测量接头的残余应力和焊接变形。基于热-弹-塑性有限元分析,采用不同分段长度的固定热源模拟电弧焊过程,获得接头的温度场、应力场和焊接变形,并通过和移动热源模拟结果及试验数据进行比较,验证了固定热源的可行性。最后,讨论了固定热源长度对焊接变形与残余应力计算精度的影响。结果表明,采用移动热源与固定热源模拟焊接热输入均可精准预测中厚板接头的焊接变形,而采用固定热源需合理划定分段长度。当固定热源长度更接近移动热源的瞬态熔池长度时,所预测的变形数值更准确。固定热源长度的缩短,引起描述热源作用所需时间的延长和接头“几何端部效应”加剧,焊缝处纵向残余应力的预测精度降低,对横向残余应力的影响较小。     

厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析

船体外板结构多采用多层多道焊工艺建造,焊接产生的残余应力复杂,易导致焊接结构断裂和疲劳失效.本文采用轮廓法与基于并行计算技术的热-弹-塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程,预测结果与测量结果吻合较好.预测结果表明,纵向残余应力在焊缝区为拉应力,沿接头宽度方向逐渐减小最终转变为压应力,正面焊缝中部区域拉应力值明显降低;横向残余应力在焊缝区上表面及背面填充处为拉应力,沿接头宽度方向逐渐降低,在正面焊缝中部区域为压应力;Z向残余应力主要存在于焊缝区,正面焊缝以压应力为主,背面焊缝以拉应力为主.厚板多层多道焊接过程中,残余应力变化是由于后一道焊缝对已焊的焊缝起到热处理作用导致的,焊缝接头残余应力分布由最后一道焊缝决定.     

加筋板结构连续焊焊接变形规律

基于通用有限元软件Abaqus,采用顺序耦合热弹塑性有限元方法对加筋板结构双边连续焊焊接变形规律进行了研究。为了提高计算效率,采用具有截面积分特性shell单元的shell/solid模型描述加筋板结构,实现了焊接过程数值模拟。针对双边连续焊焊接方式,分别计算比较了T形接头两侧同时焊接和两侧依次焊接情况下的结构残余变形和应力。结果表明:T形接头两侧同时焊接产生较小的焊接变形,并且变形较为对称。     

焊缝对环肋圆柱壳振动声辐射的影响

将结构固有频率作为中间变量,研究焊接残余应力、结构固有频率和结构声辐射特性之间的关系。首先,分析焊接残余应力与结构固有频率之间的关系,并通过实验进行验证,结果显示焊接残余应力使结构固有频率发生了显著改变。然后,对固有频率—声辐射功率的灵敏度进行理论推导,并运用有限元法结合边界元法建立数值模型,计算该模型在指定范围内的固有频率—声辐射功率灵敏度,结果证明结构声辐射功率会随着固有频率的变化而发生显著变化。最后,综合分析焊接残余应力与结构声辐射之间的关系。结果表明,研究复杂结构的振动声辐射等动力学特性时,焊接残余应力是不能忽视的影响因素。     

弹塑性固有应变法在厚壁球面舱壁结构焊接中的应用

针对热弹塑性有限元法仅适用小规模焊接的弊端,采用弹塑性固有应变法对厚壁球面舱壁结构的焊接工艺进行模拟,并对球面舱壁结构的焊接工艺进行优化,最终给出球面舱壁结构合理的焊接工艺.在大型有限元软件ANSYS的基础上,通过开发的热弹塑性焊接计算程序得到单道焊缝焊接时的残余应变;通过残余应变等效,对球面舱壁的各焊缝处施加温度载荷;通过一次弹塑性有限元法得到厚壁球面舱壁结构的整体变形.通过开展不同焊接工艺下球面舱壁结构的焊接变形分析,给出厚壁球面舱壁结构合理的焊接工艺.     

计及残余应力和附连板屈曲后应力分布变化影响的船体板架加强筋侧向屈曲

作为薄壁杆件,船体加筋板架中的加强筋在轴向压力的作用下可能发生绕定轴的侧向屈曲.本文采用了Faulkner残余应力模型和经验公式计算附连板屈曲以后应力分布的变化.在用能量法求解加筋板的侧向屈曲弹性临界应力时,在广义特征值方程中计及残余应力和附连板屈曲后应力分布变化的影响.     

典型结构焊接温度和残余变形研究

选取典型对接结构和角接结构进行焊接试验,并进行热弹塑性仿真计算,研究测点的焊接温度和残余变形规律.结果表明,测点经历了加热-峰值-冷却过程.对接结构的焊接角变形较小,横向收缩变形较大;角接结构的焊接角变形相对较大,横向收缩变形相对较小.     

单根加筋板整体屈曲临界应力计算与分析

目前,对加筋板稳定性的研究多采用有限元法,缺乏理论指导。本文忽略材料非线性的影响,利用理论方法求解四边简支加筋板的整体屈曲临界应力。对有单根加强筋的加筋板,首先假设板的挠曲函数,接着将其代入板和加强筋的边界方程和协调方程,最后解线性方程组的特征方程得到加筋板的临界应力计算公式。为了验证该公式正确与否,选取多个算例,利用有限元软件Abaqus和Nastran进行数值仿真,与理论解比较后得出本文推导的公式是正确的,并得出临界应力随γ和δ的变化趋势。     

具有裂纹缺陷的加筋板的剩余拉伸强度分析

对具有裂纹缺陷的加筋板的剩余强度进行了数值分析.考虑了加筋板上的三种缺陷形式,即板和筋上的垂直裂纹,板和筋上的倾斜裂纹以及板上的裂纹和筋上的圆孔.对板和筋上的相对裂纹长度、材料属性、板和筋的厚度、裂纹开裂角度以及圆孔的直径等影响参数进行了分析.同时,将无加筋板剩余强度的经验公式推广到加筋板,并验证了公式的有效性.     

基于强化散热的焊后冷源宽度对焊接残余应力的影响

鉴于冷源长度方向尺寸对焊趾位置残余应力峰值的影响不大,本文着重分析冷源宽度方向尺寸对焊后残余应力的影响。本文利用干冰作为焊后冷源介质跟随焊枪同步运动,基于热弹塑性有限元方法,对AH36高强钢薄板随焊激冷的焊接方法进行了模拟。分析了冷源相对于焊缝的宽窄关系对随焊激冷控制残余应力的影响,从而可以对干冰的喷嘴形状设计进行指导,以优化焊后冷源控制应力应变的效果,推进“低应力无变形”焊接技术在船舶领域的发展与应用。结果表明,在焊后施加冷源可以达到降低低应力无变形的效果。其中,在所施加焊后冷源宽度较焊缝宽的情况下,较其他两种宽度冷源控制应力与变形的效果更佳,板中心纵向残余应力可由常规焊的484Mpa减少到375Mpa,减少了109Mpa。     

Research on numerical welding experiment of a thick spherical shell structure

In this paper, in order to predict the residual deformation of thick spherical structure, a welding program is compiled in APDL language based on Ansys and a numerical welding experiment of a welding example is carried out. The temperature field of welding was simulated firstly, then a thermal-structure coupling analysis was carried out, and at last the residual stress and deformation after welding were got. After that, the numerical experiment result was compared with physical experiment one. The comparative analysis shows that the numerical simulation fits well with physical experiment. On the basis of that, a three-dimensional numerical experiment of a thick spherical shell structure was carried out to get the changing rule of stress and deformation of a thick spherical shell structure during welding. The research is of great value to the prediction of residual deformation and high precision machining.