船体结构火工矫正工艺热弹塑性分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com46卷第1期(总第168期)中国造船Vo1．46NO．1(SerialNO．168)2005年3月SHIPBUILDING0FCHINAMalL"．2005文章编号：1000—4882(2005)01—0091—07船体结构火工矫正工艺热弹塑性分析刘玉君，莫立新，张爱霞，邓燕萍(大连理_T-大学船舶_T-程系，辽宁大连116024)摘要在对船体结构火工矫正工艺的温度场进行数值分析的基础上，进而对火工矫正工艺的热弹塑性进行了分析，并对板厚及加热速度对残余应力及变形的影响做了研讨。关键词：船舶、舰船工程；船体结构火工矫正

2、；热弹塑性；温度场；残余应力及变形中图分类号：U671．3文献标识码：A1前言在船舶建造和修理过程中为了修正其结构的焊接变形，船厂通常采用火工矫正的工艺方法。目前，该方法完全依靠工人的加工经验来实施，故已不能满足现代造船业的需要卜。因此，火工矫正工艺参数预报的信息化技术研究，是当前船舶建造精度控制技术中迫切需要解决的重要课题之一。本文在对某船厂的实际船体结构进行实验测试与分析的基础上，应用大型有限元程序ANSYS对火工矫正工艺的热弹塑性变形进行了计算分析，并讨论-J'~D热速度等对其变形的影响。2火工矫正工艺温度场的数值分析2．1计算的结构模型本文实验中的船体结构

3、模型及在坐标系中的位置如图1所示。考虑到对称性，取钢板结构的1／4进行计算。2．2热流输入模型结合火工矫正工艺中加热炬的实际情况，假设单位时间内通过单位面积进入钢板的热能分布呈高斯分布(见图2)。热流方程可写成：g(r)一qmaxe一。(1)r。。rqe，，一IIq(r)dOdr(2)式中：q为点热源密度；qeff为热源的有效热功率。2．3边界换热系数在空气冷却条件下，被矫正结构边界的热交换方图1船体结构模型式主要是辐射和对流。设边界换热损失的热能为：收稿日期：2003—07—08；修改稿收稿日期。2003—11-28维普资讯http://www.cqvip.co

4、m维普资讯http://www.cqvip.com46卷第1期(总第168期)刘玉君等：船体结构火工矫正工艺热弹塑性分析(3)扶强材的瞬时温度曲线图6表示了t一37．5s时扶强材的瞬态温度分布。其中，曲线1、2、3、4分别代表X===465，405，345，375mm。可以看出当火焰接近时，钢板上部温度很快升高，而下部温度升高相对而言较慢，钢板内沿Z方向的温度梯度很大；火焰离开后钢板上部继续传热给下部，从而使z方向上的温度趋于一致。图7为时间为37．5s时结构内的温度分布云图。z／m3火工矫正工艺热弹塑性分析]图6沿z方向扶强材的瞬态温度分布曲线火工矫正工艺是一种

5、行之有效的矫正变形与消除残余应力的方法。要使火工矫正取得预期的效果，其前提是要对局部界定的加热区进行快速而准确的加热，直到其屈服极限大大降低。这样，受热部分金属因周围未加热金属的限制而在板平面内产生热压缩状态，并使板厚局部增大；而加热区的冷却则要缓慢进行，以便与周围区域的温度保持平衡。所以，火工矫正过程的本质是一个热弹塑性问题，是一种复杂的非线性现象，在这个热力学系统中，材料的自由能密度不仅与应变、温度有关，还与板结构中存在的焊接残余应力有关。因此，可将焊接残余应力作为初始应力，用所得到的温度场作为应力一应变分析中的热载荷，对板结构的火工矫正过程进行热弹塑性分析。

6、图737。5s时的温度分布图(1)温度、热应力随时间变化规律通过对火工矫正过程进行非线性数值模拟，可以得到加热过程中任意时刻结构的应力场，如图8至图ll所示。曲线1、2、3分别为X===345，375，405mm处加热线上的点。由各曲线形状可以看出温度场对应力场的影响：由温度场引起的应力场也是准稳态的。当t一37．5s时，热源移动到X一375mm处，曲线前的局部温度升高，曲线后的局部温度下降；由于加热膨胀的结果，曲线前产生压缩塑性区，曲线后因冷却热收缩形成拉伸塑性区。(2)“反变形”的计算在引起变形的温度变化即热源撤除之后，弹性热应力及热应变消失。在随后的冷却过程

7、中，温度场趋于平衡，结构的残余应力重新分配，达到新的平衡。本例中，将冷却时间设为lOh，即经lOh后，结构的残余应力已经稳定。为了更好地比较火工矫正工艺对结构变形的效果，现将矫正前后结构的应力场的分布云图(图12)比较如下。由图12可以看出，沿焊缝背面进行的火工矫正实质上是一种“反变形”工艺过程：即在原来变形的基础上，形成新的变形。焊接时热流的输入是沿焊缝方向，矫正时则是在焊缝背面加维普资讯http://www.cqvip.com中国造船学术论文t／s图8温度随时间的变化曲线图9X方向纵向应力随时间变化曲线30(2ob100图10Y方向横向应力随时间变化曲线图11

8、Z方向纵向