本文關(guān)鍵詞：大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形分析方法的研究及應(yīng)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(yīng)用在船舶、汽車、火車、橋梁等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。以船體的裝配為例,分段通常為大型、復(fù)雜、全焊、薄板結(jié)構(gòu),在生產(chǎn)加工過程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種焊接殘余變形。焊接殘余變形不僅影響焊接結(jié)構(gòu)尺寸精度,而且增加了制造成本。盡管無(wú)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(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和控制在裝配過程中產(chǎn)生的焊接殘余變形對(duì)于大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)具有重要的工程意義。本文將固有應(yīng)變理論應(yīng)用于大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)中,針對(duì)數(shù)值分析過程中的難點(diǎn)問題即固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、約束條件的選擇、裝焊順序的優(yōu)化、強(qiáng)制裝配的影響等四個(gè)方面進(jìn)行理論分析及數(shù)值計(jì)算研究。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的實(shí)際需求,開發(fā)了一款能簡(jiǎn)單地對(duì)焊接變形有限元分析所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行前期準(zhǔn)備,對(duì)焊接變形進(jìn)行計(jì)算分析以及對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后期處理的軟件——焊接結(jié)構(gòu)變形分析系統(tǒng)(Weld-sta),并將其成功應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)上,從而為焊接工藝的設(shè)計(jì)、制定與優(yōu)化提供技術(shù)支持。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)根據(jù)基于固有應(yīng)變理論計(jì)算大型結(jié)構(gòu)焊接變形的本質(zhì),詳細(xì)分析了幾種計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)固有變形的典型理論方法,包括經(jīng)驗(yàn)公式法、熱彈塑性有限元法、實(shí)測(cè)法。再以簡(jiǎn)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(jì)算復(fù)雜接頭的固有變形近似公式,并在此基礎(chǔ)上建立了復(fù)雜船體接頭的固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)。(2)針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的慣性釋放法引入大型焊接結(jié)構(gòu)變形分析中。并以4250TEU集裝箱船203分段為研究對(duì)象,計(jì)算了四種不同約束情況下的焊接變形情況,通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)做對(duì)比,發(fā)現(xiàn)采用慣性釋放法的計(jì)算結(jié)果最接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從而驗(yàn)證了該方法在焊接變形預(yù)測(cè)中的可行性。(3)考慮焊接結(jié)構(gòu)由于在強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)制裝配變形的情況下,對(duì)其焊接變形進(jìn)行預(yù)測(cè),得出了強(qiáng)制裝配對(duì)最終變形影響的一些規(guī)律。(4)在固有應(yīng)變理論以及之前研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了焊接結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)(Welding Structure Analsys System)。該系統(tǒng)面向現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員,操作簡(jiǎn)單實(shí)用,并且具有自動(dòng)尋找焊縫,通過固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)導(dǎo)入焊接參數(shù),自動(dòng)施加約束條件,計(jì)算模塊兼容性強(qiáng)等多項(xiàng)實(shí)用功能。(5)以4250TEU集裝箱船雙層底分段以及電力機(jī)車枕梁為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)際建造工藝流程,采用Weld-sta軟件對(duì)焊接結(jié)構(gòu)在裝配過程每一個(gè)分步的焊接變形進(jìn)行計(jì)算。通過與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在關(guān)鍵尺寸上進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了考慮裝焊順序的數(shù)值計(jì)算的必要性,并在此基礎(chǔ)上提出了目標(biāo)優(yōu)化函數(shù),對(duì)4250TEU集裝箱船雙層底分段的裝焊工藝方案進(jìn)行了改進(jìn)。
【關(guān)鍵詞】：船體結(jié)構(gòu) 焊接變形 固有應(yīng)變法 焊接結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng) 固有變形數(shù)據(jù)庫(kù) 慣性釋放 強(qiáng)制裝配 裝焊順序
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(yàn)與經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)19-21
• 第二章 船體接頭固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)的結(jié)構(gòu)和功能21-25
• 2.3 基本理論25-34
• 2.3.1 固有應(yīng)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(jì)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(shí)測(cè)法37-38
• 2.4.4 T型接頭驗(yàn)證案例38-45
• 2.5 船體接頭固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)采集方法45-53
• 2.6 本章小結(jié)53-54
• 第三章 慣性釋放法在大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形有限元分析中的應(yīng)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(duì)位移55-56
• 3.3.2 相對(duì)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(duì)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(fù)雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形中的應(yīng)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(jié)果與討論69-76
• 3.6 本章小結(jié)76-78
• 第四章 考慮強(qiáng)制裝配影響的大型復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)焊接變形有限元分析78-93
• 4.1 引言78
• 4.2 強(qiáng)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(yàn)證81-83
• 4.3 考慮強(qiáng)制裝配影響的典型船體結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)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(jié)果與討論86-91
• 4.4 本章小結(jié)91-93
• 第五章焊接結(jié)構(gòu)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(dòng)尋找焊縫94-98
• 5.2.2 固有變形數(shù)據(jù)庫(kù)與自動(dòng)約束模型以及計(jì)算模塊98
• 5.3 計(jì)算過程示例98-105
• 5.3.1 模型98-99
• 5.3.2 模型材質(zhì)設(shè)置99-102
• 5.3.3 添加焊縫102-103
• 5.3.4 設(shè)置邊界條件與計(jì)算103-104
• 5.3.5 結(jié)果后處理104-105
• 5.4 本章小結(jié)105-106
• 第六章考慮裝焊順序的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jī)車典型部件焊接變形有限元分析107-130
• 6.2.1 電力機(jī)車車體典型焊縫108-112
• 6.2.2 機(jī)車車體枕梁結(jié)構(gòu)與焊接工藝112-116
• 6.2.3 機(jī)車車體枕梁焊接變形實(shí)測(cè)116-121
• 6.2.4 機(jī)車車體枕梁焊接變形模擬121-125
• 6.2.5 結(jié)果與討論125-130
• 6.3 基于焊接變形預(yù)測(cè)的船體結(jié)構(gòu)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(shí)測(cè)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(shè)計(jì)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(jié)163-164
• 第七章結(jié)論與課題展望164-167
• 7.1 主要研究工作總結(jié)與結(jié)論164-165
• 7.2 課題展望165-167
• 參考文獻(xiàn)167-174
• 致謝174-175
• 攻讀博士學(xué)位期間完成科研\(zhòng)科研獲獎(jiǎng)及已發(fā)表或錄用的論文175-178

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 陳召濤;孫秦;;慣性釋放在飛行器靜氣動(dòng)彈性仿真中的應(yīng)用[J];飛行力學(xué);2008年05期

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本文編號(hào)：754495