本文關鍵詞：大型復雜船體結構焊接變形分析方法的研究及應用

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【摘要】：焊接作為主要的金屬加工方法被廣泛地應用在船舶、汽車、火車、橋梁等工業(yè)生產領域。以船體的裝配為例,分段通常為大型、復雜、全焊、薄板結構,在生產加工過程中,不可避免地會產生各種焊接殘余變形。焊接殘余變形不僅影響焊接結構尺寸精度,而且增加了制造成本。盡管無法完全地消除焊接殘余變形,但是通過制造出具有足夠精度的分段去避免整體建造過程中的變形問題是有可能的。因此,準確地預測和控制在裝配過程中產生的焊接殘余變形對于大型復雜船體結構的生產具有重要的工程意義。本文將固有應變理論應用于大型復雜船體結構的焊接變形預測中,針對數(shù)值分析過程中的難點問題即固有變形數(shù)據(jù)庫的建立、約束條件的選擇、裝焊順序的優(yōu)化、強制裝配的影響等四個方面進行理論分析及數(shù)值計算研究。在此基礎上,根據(jù)現(xiàn)場工程技術人員的實際需求,開發(fā)了一款能簡單地對焊接變形有限元分析所需的數(shù)據(jù)進行前期準備,對焊接變形進行計算分析以及對仿真結果進行后期處理的軟件——焊接結構變形分析系統(tǒng)(Weld-sta),并將其成功應用于焊接結構上,從而為焊接工藝的設計、制定與優(yōu)化提供技術支持。本文的主要研究內容如下:(1)根據(jù)基于固有應變理論計算大型結構焊接變形的本質,詳細分析了幾種計算焊接結構固有變形的典型理論方法,包括經(jīng)驗公式法、熱彈塑性有限元法、實測法。再以簡單的角接接頭為例,利用三種方法演示了該接頭的縱向固有收縮和橫向固有收縮的獲取方法。最后,提出計算復雜接頭的固有變形近似公式,并在此基礎上建立了復雜船體接頭的固有變形數(shù)據(jù)庫。(2)針對大型復雜結構在焊接模擬過程中約束條件施加困難的問題,將在航海航空領域得到廣泛應用的慣性釋放法引入大型焊接結構變形分析中。并以4250TEU集裝箱船203分段為研究對象,計算了四種不同約束情況下的焊接變形情況,通過與實測數(shù)據(jù)做對比,發(fā)現(xiàn)采用慣性釋放法的計算結果最接近實測數(shù)據(jù),從而驗證了該方法在焊接變形預測中的可行性。(3)考慮焊接結構由于在強制裝配后變形的不確定性,利用通用商業(yè)軟件Abaqus中的連接單元的屬性,開發(fā)出了一種模擬強制裝配過程的方法,并以4800TEU集裝箱雙層底分段303P/S為例,在考慮強制裝配變形的情況下,對其焊接變形進行預測,得出了強制裝配對最終變形影響的一些規(guī)律。(4)在固有應變理論以及之前研究的基礎上,開發(fā)了焊接結構分析系統(tǒng)(Welding Structure Analsys System)。該系統(tǒng)面向現(xiàn)場工程技術人員,操作簡單實用,并且具有自動尋找焊縫,通過固有變形數(shù)據(jù)庫自動導入焊接參數(shù),自動施加約束條件,計算模塊兼容性強等多項實用功能。(5)以4250TEU集裝箱船雙層底分段以及電力機車枕梁為研究對象,根據(jù)實際建造工藝流程,采用Weld-sta軟件對焊接結構在裝配過程每一個分步的焊接變形進行計算。通過與實測數(shù)據(jù)在關鍵尺寸上進行對比,驗證了考慮裝焊順序的數(shù)值計算的必要性,并在此基礎上提出了目標優(yōu)化函數(shù),對4250TEU集裝箱船雙層底分段的裝焊工藝方案進行了改進。
【關鍵詞】：船體結構 焊接變形 固有應變法 焊接結構分析系統(tǒng) 固有變形數(shù)據(jù)庫 慣性釋放 強制裝配 裝焊順序
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U671.8
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 焊接變形分析方法的研究現(xiàn)狀12-19
• 1.2.1 試驗與經(jīng)驗法12-13
• 1.2.2 焊接變形的數(shù)值模擬方法13-19
• 1.3 本論文主要工作及創(chuàng)新點19-21
• 第二章 船體接頭固有變形數(shù)據(jù)庫建立方法研究21-54
• 2.1 引言21
• 2.2 船體接頭固有變形數(shù)據(jù)庫的結構和功能21-25
• 2.3 基本理論25-34
• 2.3.1 固有應變理論25-33
• 2.3.2 固有變形理論33-34
• 2.4 典型接頭固有變形計算方法34-45
• 2.4.1 公式法34-37
• 2.4.2 熱彈塑性有限元法37
• 2.4.3 實測法37-38
• 2.4.4 T型接頭驗證案例38-45
• 2.5 船體接頭固有變形數(shù)據(jù)庫采集方法45-53
• 2.6 本章小結53-54
• 第三章 慣性釋放法在大型復雜船體結構焊接變形有限元分析中的應用54-78
• 3.1 引言54
• 3.2 慣性釋放法研究現(xiàn)狀54-55
• 3.3 慣性釋放理論55-60
• 3.3.1 相對位移55-56
• 3.3.2 相對力56-57
• 3.3.3 柔度矩陣57-60
• 3.4 剛體位移約束與慣性釋放法約束的比較60-63
• 3.4.1 對接接頭有限元模型的建立60-61
• 3.4.2 兩種方法的比較61-63
• 3.5 慣性釋放法在大型復雜船體結構焊接變形中的應用63-76
• 3.5.1 4250TEU集裝箱船介紹63
• 3.5.2 4250TEU集裝箱船203分段介紹63-64
• 3.5.3 焊接工藝與焊縫信息64-68
• 3.5.4 4250TEU集裝箱船203分段有限元模型68-69
• 3.5.5 結果與討論69-76
• 3.6 本章小結76-78
• 第四章 考慮強制裝配影響的大型復雜船體結構焊接變形有限元分析78-93
• 4.1 引言78
• 4.2 強制裝配模擬方法78-83
• 4.2.1 連接單元理論78-80
• 4.2.2 示例80-81
• 4.2.3 驗證81-83
• 4.3 考慮強制裝配影響的典型船體結構焊接變形預測83-91
• 4.3.1 4800TEU集裝箱船介紹83
• 4.3.2 4800TEU集裝箱船雙層底分段介紹83-84
• 4.3.3 有限元模型的建立84-86
• 4.3.4 結果與討論86-91
• 4.4 本章小結91-93
• 第五章焊接結構變形分析系統(tǒng)的開發(fā)93-106
• 5.1 引言93-94
• 5.2 系統(tǒng)核心功能的開發(fā)與介紹94-98
• 5.2.1 自動尋找焊縫94-98
• 5.2.2 固有變形數(shù)據(jù)庫與自動約束模型以及計算模塊98
• 5.3 計算過程示例98-105
• 5.3.1 模型98-99
• 5.3.2 模型材質設置99-102
• 5.3.3 添加焊縫102-103
• 5.3.4 設置邊界條件與計算103-104
• 5.3.5 結果后處理104-105
• 5.4 本章小結105-106
• 第六章考慮裝焊順序的大型復雜結構焊接變形有限元分析106-164
• 6.1 引言106-107
• 6.2 考慮裝焊順序的電力機車典型部件焊接變形有限元分析107-130
• 6.2.1 電力機車車體典型焊縫108-112
• 6.2.2 機車車體枕梁結構與焊接工藝112-116
• 6.2.3 機車車體枕梁焊接變形實測116-121
• 6.2.4 機車車體枕梁焊接變形模擬121-125
• 6.2.5 結果與討論125-130
• 6.3 基于焊接變形預測的船體結構裝焊順序優(yōu)化130-163
• 6.3.1 4250TEU集裝箱船雙層底分段焊接實測130-137
• 6.3.2 4250TEU集裝箱船雙層底分段焊接變形模擬137-144
• 6.3.3 4250TEU集裝箱船雙層底裝焊方案設計144-159
• 6.3.4 4250TEU集裝箱船雙層底裝焊方案優(yōu)選159-163
• 6.4 本章小結163-164
• 第七章結論與課題展望164-167
• 7.1 主要研究工作總結與結論164-165
• 7.2 課題展望165-167
• 參考文獻167-174
• 致謝174-175
• 攻讀博士學位期間完成科研\(zhòng)科研獲獎及已發(fā)表或錄用的論文175-178

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 陳召濤;孫秦;;慣性釋放在飛行器靜氣動彈性仿真中的應用[J];飛行力學;2008年05期

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本文編號：754495