甲板分段焊接变形仿真与控制_丁鹏龙.pdf

2023 年 2 月材料开发与应用文章编号:10031545(2023)01000908焊接技术甲板分段焊接变形仿真与控制丁鹏龙，成应晋，何亮(中国船舶集团有限公司第七二五研究所，河南 洛阳 471023)摘要:采用热弹塑性有限元方法开展了甲板分段焊接数值仿真，基于三维 Shell 单元和双椭球焊接热源模型获得了结构温度变化和应力场，得到了甲板分段焊接变形及残余应力分布特点，同时探究了纵向和横向型材15 种焊接装配顺序以及 3 种甲板分段拘束形式对残余应力和焊接变形的影响规律。结果表明，所设计的对称交替焊接方法对应的焊接变形最小，即先从船舯向舷侧焊接纵骨，再从中间向两端交替焊接横向桁材，最后从船舯向舷侧焊接纵向桁材;在甲板分段边缘和中心施加压条约束可获得变形控制与工作量的最佳平衡;通过优化焊接顺序和约束方式，可有效实现大型甲板焊接精度控制。关键词:焊接模拟;甲板分段;焊接顺序;焊接约束;焊接变形中图分类号:TG404文献标识码:ANumerical Simulation and Control of Block WeldingDeformation of Large Steel DeckDING Penglong，CHENG Yingjin，HE Liang(Luoyang Ship Material esearch Institute，Luoyang 471023，China)Abstract:The welding deformation of large steel deck blocks is studied by the thermal elastic plastic finite element method Thechange of the structure and stress field can be obtained based on the 3D Shell element and the double ellipsoid heat source mod-el，and then the welding deformation of large steel deck blocks and the residual stress distribution can be acquired The influ-ences of different welding sequences and fixture arrangements of the deck bocks on the residual stress and the welding deforma-tion are studied The results show that the deformation caused by the symmetry alternant welding method is the smallest Thewelding deformation and the amount of work are both small when putting battens to the edge and center of the deck block By op-timizing the welding sequence and fixture arrangement，the welding of the large steel deck can be accurately controlledKeywords:welding simulation;deck block;welding sequence;fixture arrangement;welding deformation收稿日期:20220517作者简介:丁鹏龙，男，1988 年生，主要从事焊接研究。引用格式:丁鹏龙，成应晋，何亮 甲板分段焊接变形仿真与控制 J 材料开发与应用，2023，38(1):916DING P L，CHENG Y J，HE L Numerical simulation and control of block welding deformation of large steeldeck J Development and Application of Materials，2023，38(1):916舰船通常结构复杂且整体刚性较大，从小到肘板的零部件到几十米大总段的对接合拢，焊接贯穿全部生产周期，占据整个制造过程 60%以上的工作量。然而由于焊接热输入及结构拘束的影响，焊缝及热影响区存在复杂的残余应力，过大的残余应力直接关系到船体的强度和可靠性1。如果焊接应力过高或变形过大，会对后续拼装工作带来负面影响。在制造甲板分段的过9DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.013材料开发与应用2023 年 2 月程中，形状尺寸偏差主要是由焊接变形引起2。焊接变形导致的结构建造精度超标不仅增加矫正工作量，甚至会使构件直接报废，带来多种人力物力的浪费。研究表明，船体结构的焊接工艺参数、板材厚度和焊接顺序是影响焊接质量的重要方面，而焊接顺序是影响焊接变形的主要因素3。不科学的焊接制造顺序会造成结构局部应力过于集中，引起船体结构较大的不合理变形，随着焊接变形的累计，建造的分段偏离设计尺寸，大幅增加后期矫正的工作量4。因此，对于船体结构特别是船体分段，选择合理的焊接顺序，有效地控制焊接变形，是提高船舶建造质量和效率的重要手段，也是实现现代精益造船的必经途径56。韩国、日本等国在船体建造方面的研究日益更新，在实际工程中采用了大量的新工艺和装焊方法，提出了“分段无余量装配”，即通过预先获得补偿余量即焊接变形量，而后基于构件或组立设计基础尺寸，通过增加特定的多余量，抵除其在全流程制造过程中由于冷热矫焊、接形引起的变形。国内目前在工程上通常依靠模型试验或经验数据计算焊接变形量，然后在施工时根据测量的实时数据进行修正，但是经验方法只适用于大体相同的分段和船型，无法推广至其他船型，而试验方法也只是测量船板的对接或加强筋与板材的角接引起的变形，当船体分段巨大、结构复杂时，传统的制造经验无法直接给出较高精度的焊接补偿量7。大中型船舶焊缝数量多、布置纵横交错且焊接材料强度等级不断提高，控制焊接变形难度大。随着数值模拟方法在焊接方向的迅猛发展，对船舶结构的焊接变形已能做出较高精度的预测89，受到了广泛应用。黄振华10 使用 ANSYS进行了不同焊接次序的船体对接接头数值模拟，获得了不同焊接次序下船体的变形和残余应力分布。沈济超11 针对大型船舶结构的焊接，提出了 Shell 单元和 Solid 单元相互配合的优化算法，并运用到船体加筋板的焊接模拟中，获得了结构的残余应力和变形，通过与实测数据对比验证了有限元方法的可靠性。通过焊接数值模拟，可以高效而经济地研究各种焊接顺序和工装约束形式对船体分段焊接变形的影响，进而筛选优化工艺，实现对焊接残余应力和变形的消减或控制，为实际焊接提供指导1216。本研究使用 MSCMarc 软件对甲板分段进行焊接数值模拟，计算了分段在多种焊接顺序和不同约束条件下的残余应力和变形，分析结果为提高甲板焊接精度提供了部分支撑数据。1甲板分段有限元模型的建立11甲板分段有限元模型模型甲板分段长 9 m，宽 10 m，由板材及型材组成，有限元模型见图 1，其中 G0G9 是纵向 T 型桁材，L1L11 为纵向球扁钢骨材，BM79BM91 是横向 T 型桁材。焊接属于极其复杂的动态热学、力学、化学、电磁学等多物理场耦合过程，强烈的非平衡加热和冷却引起材料非线性行为，而甲板分段尺寸大，焊缝纵横交错，焊缝长度数百米，当采用热弹塑性法进行甲板结构焊接变形数值模拟时计算量巨大，需对数值计算模型进行适当简化，主要包括:(1)甲板结构分段属于大型薄壳结构，采用 Solid(实体)单元时，板材厚度方向需要足够的单元数量以捕捉焊接过程中的温度、应力梯度，进而造成巨大单元数量和极低的计算效率，采用具有厚度的 Shell(实体壳)单元建模可以有效模拟薄壳结构的弯曲变形，同时大幅降低计算时长。(2)根据等效抗弯刚度原则，将球扁钢(纵骨型材)简化为扁钢，降低建模难度和单元数量。(3)采用二分之一对称模型，对称轴为甲板分段中纵剖面(纵向桁材 G0 腹板中心面)。(4)不考虑甲板板材的拼焊，重点探究型材和骨材焊接对甲板变形的影响。为获得较高的计算精度同时提升计算效率，在焊缝及热影响区附近细化单元，非焊接部位采用尺寸 2040 mm 的单元，焊缝区域采用尺寸 510 mm 单元，甲板分段有限元模型单元共计 10万个。12材料特性数值模型有限元中甲板母材为 440 MPa 级别船用钢，钢板基本力学性能见表 1。焊接仿真属于瞬态动力学范畴，焊接热输入引起时焊缝区域温度急剧上升，非线性特征明显，因而需考虑温度对材料的影响。温度相关性较强的材料参01第 38 卷第 1 期丁鹏龙，等:甲板分段焊接变形仿真与控制数包括屈服强度、弹性模量、线膨胀系数、热导率、比热容等，各参数实测数据见图 2。密度实测为 7 85 103kg/m3，泊松比为 0 3。使用 VonMises 屈服准则和各向强化模型表征材料屈服后的力学行为。表 1钢板基本力学性能Table 1Mechanical properties of the tested steelp02/MPam/MPaA/%Z/%4708123760图 1甲板分段有限元模型Fig 1FEM model of deck blocks图 2材料参数Fig 2Material properties13热源模型双椭球热源考虑了电弧焊接的搅拌和挖掘现象，因而采用该模型进行焊接仿真。其几何形状接近电弧焊接熔池真实形貌，更接近角焊缝的实际焊接情况。焊接参数见表 2。表 2焊接参数Table 2Welding parameters电流/A电压/V焊接速度/(cmmin1)20053514边界条件焊接仿真基于直接热力强耦合算法，对边界条件进行适当简化，忽略相变和热辐射的影响。计算时考虑模型与环境间(参考室温 20)的对流散热，设定单元表面对流系数为 20 W/(m2K)。为防止结构发生刚体位移，在甲板分段的三个边角施加位移约束，在对称面上施加(横向)X 方向约束，结构约束见图 3。图 3有限元模型位移边界条件Fig 3Displace boundary condition of the FEM model11材料开发与应用2023 年 2 月2焊接顺序与约束21焊接顺序甲板面板与型材焊接时，先焊接的结构在温度场和应力场以及结构刚度上对后续焊接有显著影响，导致结构的最终变形不同。为获得最小的焊接变形量，需开展特定横、纵桁材及纵向骨材不同焊接顺序模拟，研究其对甲板分段变形的影响。大中型钢结构焊接制造时，一般采用对称施交替焊接方法控制变形，结合甲板分段实际拼装工艺，设计 15 种焊接顺序(见表 3)。其中焊接顺序含义为:纵向桁材从船舯到舷侧(G0G3G6G9)或者从舷侧到船舯(G9G6G3G0);纵骨从船舯到舷侧(L1L2L11)或者从舷侧到船舯(L11L10L1)，或者从中间向船舯和舷侧(L6L5L7L4L8L3L9L2L10L1L11)，或者从舷侧和船舯到中间(L1L11L2L10L3L9L4L8L5L7L6);横向桁材顺序焊接(BM79BM83BM91)，或者从中间向两头(BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM91)，或者从两头向中间(BM79BM91BM81BM89BM83BM87BM85)。所设计的焊接顺序为纵桁、纵骨、及横向桁材多种焊接顺序的组合，以期全面探究焊接顺序的影响。表 3焊接顺序Table 3Welding sequence编号焊接顺序1G0G3G6G9L1L2L11L1L2L11BM79BM83BM912BM79BM83BM91G0G3G6G9L1L2L113G0G3G6G9BM79BM83BM91L1L2L114BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM91G0G3G6G9L6L5L7L4L8L3L9L2L10L115BM79BM91BM81BM89BM83BM87BM85G9G6G3G0L1L11L2L10L3L9L4L8L5L7L66G0G3BM85BM83G6G9BM87BM81BM89BM79BM91L1L2L117G0G3BM79BM91G6G9BM81BM89BM83BM87BM85L1L2L118G9G6BM85BM83G3G0BM87BM81BM89BM79BM91L11L10L19G9G6BM79BM91G3G0BM81BM89BM83BM87BM85L11L10L110L1L2L11BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM91G0G3G6G911L1L2L11BM79BM91BM81BM89BM83BM87BM85G0G3G6G912L1L2L11G0G3G6G9BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM9113L11L12L1G0G3G6G9BM79BM91BM81BM89BM83BM87BM8514L11L12L1BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM91G9G6G3G015L11L12L1BM85BM83BM87BM81BM89BM79BM91G9G6G3G022焊接约束焊接变形与残余应力直接受到工装形式的影响，不同约束工装引起约束刚度差异导致焊接残余应力大小及分布情况显著变化，而且工装拆除前后结构刚度也会剧烈改变，引起残余应力不同程度的释放。通过研究工装约束对比焊接变形的影响，可筛选出变形量小、装配作业量少的工装设计，为生产提供有力的支撑。实际工况通常对甲板施加点焊或压条约束，为了探究不同约束对焊接变形的影响，设置 3 种约束方式，3 种约束形式示意图见图 4，图中圆圈代表压条。形式1 在甲板分段边缘(即舷侧和两端，不含对称面)每隔约 500 mm 位置施加 X、Y、Z3 个方向位移约束模拟工程上的压条工装，并在焊接结束后拆除压条(见图 4(a);形式 2 在形式 1 的基础上在甲板分段中间区域增加压条(见图4(b);形式3在形式 2 的基础上，在整个甲板分段区域每隔一定间距施加约束(见图 4(c)。21第 38 卷第 1 期丁鹏龙，等:甲板分段焊接变形仿真与控制图 4焊接约束Fig 4Welding constraint3甲板分段焊接变形模拟结果31焊接顺序的影响为研究焊接顺序影响，甲板分段全部采用约束形式 1，并在焊接结束后去除压条约束。不同焊接顺序下甲板结构变形量峰值见表 4。就焊接变形而言，不同焊接顺序下结构变形趋势一致:其中主要变形发生在甲板分段中纵剖面区域，最大竖向变形量为 4438 mm，最小变形量为 3831 mm;在甲板分段横向主要为收缩变形，变形量 67 mm;在甲板分段纵向表现为从两端向中间收缩趋势，收缩量为 56 mm。变形最小的焊接顺序 10 的焊接次序为:先从船舯向舷侧焊接纵骨，再从中间向两头交替焊接横向桁材，最后从船舯向舷侧焊接纵向桁材。变形最大的焊接顺序 13 的焊接次序:先从舷侧向船舯焊接纵骨，再从舷侧向船舯焊接纵向桁材，最后从两端向中间交替焊接横向桁材。变形最小的焊接顺序 10 对应变形情况见图 5，应力分布见图 6。表 4焊接变形Table 4Welding deformationmm顺序编号总变形量横向(X)变形量纵向(Y)变形量竖向(Z)变形量1435778260043552432462457943223420848658042054428760058542855429260158542906429353858142927421352659642128435559599434894143538616414110383465261938311139236405983920124225673667422113444068667444381440236496364018153936985600393231材料开发与应用2023 年 2 月图 5编号 10 焊接顺序甲板分段变形Fig 5Deformation of deck with No10 welding sequences图 6编号 10 焊接顺序甲板分段残余应力分布Fig 6esidual stress distribution of deck with No10 welding sequences由于焊接约束卸载后会释放一定应力，因而不同焊接顺序对焊后残余应力影响区分不大，从图 6 可知，对焊接变形最小的焊接顺序 10 而言，其等效应力达到 524 MPa，超过了材料室温下的屈服强度，表明该材料具有明显的加工硬化现象，横向应力 487 MPa，纵向应力最大 530 MPa。焊缝及热影响区属于高应力区，为降低残余应力带来的疲劳断裂风险，必要时可采取振动或锤击方式降低残余拉应力峰值，改善焊接结构的疲劳性能。32焊接约束的影响为探究不同工装对变形的影响，选择约束形41第 38 卷第 1 期丁鹏龙，等:甲板分段焊接变形仿真与控制式 1 下焊接变形量最大对应的焊接顺序 13、变形量最小对应的焊接顺序 10 及变形量中间对应的焊接顺序 9 等 3 种焊接顺序，分别计算甲板分段在约束形式 2 和约束形式 3 下焊接变形。3 种焊接顺序在 3 种约束形式下的焊接变形见表 5。表 5不同约束不同焊接顺序甲板分段变形Table 5Deformation of deck with different welding fixtures and sequencemm约束形式顺序编号总变形量横向(X)变形量纵向(Y)变形量竖向(Z)变形量形式 1:边缘约束94143538616414110383465261938311344406866744438形式 2:边缘+中心94065576641406210339011146683224133682720601368形式 3:全甲板9371359077736981033455797493337134063692715407从表 5 可知，3 种约束下甲板分段变形最小工况都对应焊接顺序 10。对焊接顺序 10 而言，在约束 1 条件下，由于甲板分段中心无约束，因而该区域变形最大，为 3834 mm，当通过约束形式 2 在甲板分段中心施加压条后，变形量降低到3390 mm，下降 444 mm。当进一步通过约束形式 3 对全甲板分段进行约束时，最大变形量3345mm，下降 045 mm。结果表明，通过边缘和甲板分段中心约束(即约束形式 2)即可显著降低甲板分段变形，且工作量较小，而无需采用工装卡具明显复杂且装配耗时的全约束形式。为了探究约束去除前后甲板分段变形及应力的变化，选择拘束程度最大的约束形式 3 且焊接变形量最小的顺序 10 为研究对象。约束拆除前后甲板分段变形和应力释放情况见表 6。表 6约束拆除前后甲板分段变形及应力变化Table 6Deformation and stress distribution of deck with and without fixtures约束状态总变形量/mm横向(X)变形量/mm纵向(Y)变形量/mm竖向(Z)变形量/mm等效应力/MPa横向(X)应力/MPa纵向(Y)应力/MPa约束1212582461201548559578去除约束33455797493337522424529分析表 6 可知，压条约束没有去除时，甲板分段变形量很小，总变形量只有 121 mm，残余应力较大，等效应力达到548 MPa;拆除约束工装引起结构变形发生大幅度变化，去除约束后，焊接变形量显著变大到 3345 mm，而残余应力经释放后明显降低，其中横向应力下降到424 MPa，下降幅度最大。4结论(1)采用基于 Shell 单元及对称模型和简化热源方式可预测甲板分段焊接残余应力与变形，相比于 Solid 单元大幅降低计算代价。51材料开发与应用2023 年 2 月(2)变形量最小的焊接顺序为:先从船舯向舷侧焊接纵骨，再从中间向两端交替焊接横向桁材，最后从船舯向舷侧焊接纵向桁材。(3)采用约束方式 2，即约束甲板分段中心和边缘位置可获得变形控制与工作量的最佳平衡。参考文献:1 吴润辉，王永兴，张波，等 船舶焊接工艺 M 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1996:298299 2 MUAKAWA H，DENG D A，MA N S，et al Appli-cations of inherent strain and interface element to sim-ulation of welding deformation in thin plate structuresJ Computational Materials Science，2012，51(1):4352 3 王阳大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用 D 上海:上海交通大学，2015 4 周宏，罗宇，蒋志勇，等 基于 ANSYS 的船舶复杂结构焊接变形预测研究J 中国造船，2010，51(2):5767 5 史雄华，牛业兴，向生，等 船体结构焊接变形的预测与控制研究进展J 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