船舶在建造期間,由于焊接、坐墩、吊裝、設備上艦、日照及溫度變化等因素的影響,結構的變形不可避免。相較于民用船舶,水面艦船建造期間的結構變形不僅影響其建造精度和質量,同時還嚴重影響艦載武器系統(tǒng)及航空保障系統(tǒng)的校準。為了提高我國水面艦船的建造精度,掌握典型荷載或工況下結構的變形規(guī)律,保證艦載設備與系統(tǒng)的精度校準,論文對艦船建造期間的焊接變形、分段吊裝、全船和總段坐墩的變形預報方法及變形控制措施進行了研究。論文主要研究內容如下:1)基于順序耦合的熱彈塑性原理,建立了船體結構焊接變形的有限元分析方法,通過將平板對接焊變形的有限元計算值與試驗值對比,證明了分析方法的可行性。在此基礎上,分別對不同邊界條件下的對焊接變形和角接焊變形進行計算,分析了不同的焊件邊界約束條件對焊接變形的影響,最終得到了控制變形的邊界約束方案。2)根據(jù)船舶分段吊裝的特點和吊點適應性理論,采用粒子群算法建立了吊點確定的優(yōu)化算法,并結合有限元法建立了分段吊裝變形預報方法。在此基礎上,分別開展了船艏分段和上層建筑總段平吊、船舯機艙段翻身吊裝的吊點篩選和吊裝變形預報分析,驗證了方法在吊裝變形研究方面的適用性。3)基于船舶墩木布置的一般原則和彈性支座梁理論,給出了塢墩布置設計方法,并結合有限元法建立了船體坐塢變形預報方法,對全船坐塢變形及應力進行了分析,驗證了方法的有效性。4)在坐塢變形的基礎上,進一步開展了日照作用下溫差引起的結構變形研究。基于熱傳導和熱應力分析方法,建立了日照作用下坐墩船舶的變形分析方法,對高溫天氣下環(huán)境溫度和甲板溫度進行了測量,據(jù)此開展了日照作用下機艙分段、船艏分段和全船的變形預報,分析了結構的變形規(guī)律,驗證了船體“荷葉變形”現(xiàn)象,同時制定了減小坐塢分段對接面相對變形的措施。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：U671
【部分圖文】：

圖２．１整體變形種類??局部變形是指焊接之后，局部區(qū)域產(chǎn)生的變形，包括角變形和波浪變形等變形形式。??（圖２．２所示）。??角變形?波浪變形??圖２．２局部變形種類??２．３基于熱彈塑性原理的焊接變形分析方法??２．３．１順序耦合熱彈塑性分析的基本原理??焊接是一個包括溫度、相變、應力、應變等變量共同作用的復雜過程。焊接過程中??焊接材料熱物理特性的變化、金屬熔化過程的相變及潛熱效應、焊縫區(qū)域材料的塑性變??形等，共同導致焊接熱彈塑性有限元分析過程是非線性的｜４８】。由于熱彈塑性分析方法在??數(shù)值模擬中的結果與實際更為符合，因此被廣泛用于各種焊接形式的變形分析中。??焊接熱彈塑性有限元分析方法主要包括全耦合以及順序耦合兩種類型｜４９］。進行全耦??合有限元分析時要將力學場和溫度場結合考慮，即在計算過程中要同時施加熱力約束與??力學約束，還要在計算過程中不斷更新兩者的參數(shù)狀態(tài)，因此計算過程的整體進度會受??到一定的影響：順序耦合有限元分析的前提條件是假設力學特性對溫度場的影響較小，??即僅考慮溫度特性對力學場的影響。分析流程為首先進行一次非線性的瞬態(tài)熱傳導計??算，得到模型的溫度分布，然后將此溫度場作為外載荷進行熱力學分析求解｜５（）〗。??非線性瞬態(tài)熱傳導的焊接溫度場控制方程積分形式如下：??Ｊ?ｐＵｄＶ?＝ｙｑｄＳ＋＼?ｒｄＶ?（２－１?）??９??

２．３基于熱彈塑性原理的焊接變形分析方法??２．３．１順序耦合熱彈塑性分析的基本原理??焊接是一個包括溫度、相變、應力、應變等變量共同作用的復雜過程。焊接過程中??焊接材料熱物理特性的變化、金屬熔化過程的相變及潛熱效應、焊縫區(qū)域材料的塑性變??形等，共同導致焊接熱彈塑性有限元分析過程是非線性的｜４８】。由于熱彈塑性分析方法在??數(shù)值模擬中的結果與實際更為符合，因此被廣泛用于各種焊接形式的變形分析中。??焊接熱彈塑性有限元分析方法主要包括全耦合以及順序耦合兩種類型｜４９］。進行全耦??合有限元分析時要將力學場和溫度場結合考慮，即在計算過程中要同時施加熱力約束與??力學約束，還要在計算過程中不斷更新兩者的參數(shù)狀態(tài)，因此計算過程的整體進度會受??到一定的影響：順序耦合有限元分析的前提條件是假設力學特性對溫度場的影響較小，??即僅考慮溫度特性對力學場的影響。分析流程為首先進行一次非線性的瞬態(tài)熱傳導計??算，得到模型的溫度分布，然后將此溫度場作為外載荷進行熱力學分析求解｜５（）〗。??

時對焊接完成后的結構變形進行預報。??２．４．１平板對接焊熱彈塑性變形分析??本節(jié)焊接研允對象取自艦船船舯某一區(qū)域的板殼結構，其有限元模型如圖２．４所示。??進行對接焊的兩塊平板尺寸均為６００?ｗ／７７?ｘ３００?ｘ３?ｗｗ?，材料是屈服限為３５５?ＭＰａ的船??用高強度鋼。為了減短計算時間同時不影響計算結果，遠離焊縫的區(qū)域利用粗網(wǎng)格進行??劃分，焊縫區(qū)域則為２＿＾２／＿的細化網(wǎng)格單元（圖２．５）。焊接相關參數(shù)為：電弧電壓??ｔ／?＝?２２Ｆ、焊接電流為／?＝?８（Ｍ、焊接速度為５ｍ／？／ｓ。??Ｄｅｆｏｒｍｅｄ?Ｖａｒ?ｎｏｔ?ｓｅｔ?Ｄｅｆｏｒｍａｏｏｎ?Ｓｃａｌｅ?Ｐａｃｔｏｒ?ｎｏｔ?ｓｅｔ??圖２．４平板模型示意圖??１１??
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本文編號：2869120