大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用

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1、申请上海交通大学博士学位论文大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用专业：船舶与海洋结构物设计制造博士生：王阳导师：罗宇教授上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2015年06月DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofDoctorofEngineeringInvestigationandApplicationontheAnalysisMethodsofWeldingDistortioninLarge-scaleandComplexMarinestru

2、cturesPHDCandidate:WangYangAdvisor:Prof.LuoYuSpecialty:NavalArchitectureandOceanEngineeringSchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityJune.2015摘要大型复杂船体结构焊接变形分析方法的研究及应用摘要焊接作为主要的金属加工方法被广泛地应用在船舶、汽车、火车、桥梁等工业生产领域。以船体的装配为例，分段通常为大型、复杂、全焊、薄板结构，在

3、生产加工过程中，不可避免地会产生各种焊接残余变形。焊接残余变形不仅影响焊接结构尺寸精度，而且增加了制造成本。尽管无法完全地消除焊接残余变形，但是通过制造出具有足够精度的分段去避免整体建造过程中的变形问题是有可能的。因此，准确地预测和控制在装配过程中产生的焊接残余变形对于大型复杂船体结构的生产具有重要的工程意义。本文将固有应变理论应用于大型复杂船体结构的焊接变形预测中，针对数值分析过程中的难点问题即固有变形数据库的建立、约束条件的选择、装焊顺序的优化、强制装配的影响等四个方面进行理论分析及数值计算研究。在此基础上，根据现场工程技术人员的

4、实际需求，开发了一款能简单地对焊接变形有限元分析所需的数据进行前期准备，对焊接变形进行计算分析以及对仿真结果进行后期处理的软件——焊接结构变形分析系统（Weld-sta），并将其成功应用于焊接结构上，从而为焊接工艺的设计、制定与优化提供技术支持。本文的主要研究内容如下：（1）根据基于固有应变理论计算大型结构焊接变形的本质，详细分析了几种计算焊接结构固有变形的典型理论方法，包括经验公式法、热弹塑性有限元法、实测法。再以简单的角接接头为例，利用三种方法演示了该接头的纵向固有收缩和横向固有收缩的获取方法。最后，提出计算复杂接头的固有变形近似

5、公式，并在此基础上建立了复杂船体接头的固有变形数据库。（2）针对大型复杂结构在焊接模拟过程中约束条件施加困难的问题，将在航海航空领域得到广泛应用的惯性释放法引入大型焊接结构变形分析中。并以4250TEUI摘要集装箱船203分段为研究对象，计算了四种不同约束情况下的焊接变形情况，通过与实测数据做对比，发现采用惯性释放法的计算结果最接近实测数据，从而验证了该方法在焊接变形预测中的可行性。（3）考虑焊接结构由于在强制装配后变形的不确定性，利用通用商业软件Abaqus中的连接单元的属性，开发出了一种模拟强制装配过程的方法，并以4800TEU集

6、装箱双层底分段303P/S为例，在考虑强制装配变形的情况下，对其焊接变形进行预测，得出了强制装配对最终变形影响的一些规律。（4）在固有应变理论以及之前研究的基础上，开发了焊接结构分析系统（WeldingStructureAnalsysSystem）。该系统面向现场工程技术人员，操作简单实用，并且具有自动寻找焊缝，通过固有变形数据库自动导入焊接参数，自动施加约束条件，计算模块兼容性强等多项实用功能。（5）以4250TEU集装箱船双层底分段以及电力机车枕梁为研究对象，根据实际建造工艺流程，采用Weld-sta软件对焊接结构在装配过程每一个

7、分步的焊接变形进行计算。通过与实测数据在关键尺寸上进行对比，验证了考虑装焊顺序的数值计算的必要性，并在此基础上提出了目标优化函数，对4250TEU集装箱船双层底分段的装焊工艺方案进行了改进。关键词:船体结构；焊接变形；固有应变法；焊接结构分析系统；固有变形数据库；惯性释放；强制装配；装焊顺序IIABSTRACTInvestigationandApplicationontheAnalysisMethodsofWeldingDistortioninLarge-scaleandComplexMarineStructuresAbstractW

8、eldingisamainfabricatingprocessandwidelyusedinindustriestoassembleavarietyofproductsincludingships,automobiles