CN103639251B - 一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶建造技术领域，并公开了一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法，包括：(a)构建专用的冷热一体成型体系；(b)为待成型板材的基础数据与其加工数据之间建立对应关系；(c)基于所建立的对应关系，选择确定适当的加工数据，并相应驱使冷热一体成型体系对板材执行加载；(d)对板材的成型效果进行监测，并比较和反馈已成型效果与加工目标之间的差异，基于所述差异，再次执行上述选择确定、加载和监测步骤，直至形成符合加工目标的双向曲率板。通过本发明，能够在提高加工效率的同时，可减低加工对板材性能的不利影响，降低装备成本，减小人员工作强度，同时显著提高船舶双向曲率板的成型精度。

Description

一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法

技术领域

本发明属于船舶建造技术领域，更具体地，涉及一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法。

背景技术

由于船舶建造的单品订单式生产方式以及船舶双向曲率板自身的结构性特点，船舶双向曲率板的成型加工手段有别于汽车等大批量薄膜板的有模冲压批量生产方式，通常采用无模成型法。目前，现有技术中针对船舶曲率板的成型方法主要包括线加热法、筒形辊压和多点弯曲法等。

所谓线加热法，是利用火焰对板材进行局部线状加热，利用局部热胀冷缩原理，使工件产生残余塑性变形，从而达到板弯曲成型的目的。然而，由于温度与材质之间的关系，实际的加工温度需要控制在一定的范围内，大曲率及厚板条件下的成型加工效率会受到影响；此外，对于扭曲型等一些不同位置存在不同面内外应变的板成型而言，线加热方式自身对满足成型加工要求也存在困难。

对于筒形辊压，显而易见只能加工单向曲率形状，无法成形双向曲率；而多点冷压成型之类的弯曲加工方式由于完全依赖于力的作用，在待成型加工板上施加力和施加范围都非常大，不仅克服反弹问题突出，还会导致装备综合体积和造价增大。此外，上述方式中不论冷加工还是热加工，目前依靠经验的手工作业或手工控制仍占主体，相应存在难以保证质量、加工效率低下等缺陷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法，其中通过结合冷、热成型加工各自的特点，并采用特定操作设备和计算机仿真技术等将其一体运用至成型加工过程，在提高加工效率的同时，可减低加工对板材性能的不利影响，降低装备成本，减小人员工作强度，同时显著提高船舶双向曲率板的成型精度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)为待成型的船舶双向曲率板构建冷热一体成型体系，该体系中沿着板材输送路径的上、下两侧分别设置有对置的冷加载凸轮和冷加载凹轮，并在冷加载凸轮的前侧布置有热加载元件，该热加载元件可绕加载冷加载凸轮在水平面内发生旋转；

(b)针对待成型板材，输入包括其材质、板厚、目标形状和目标曲率在内的基础数据，然后根据成型工艺要求，为待成型板材的基础数据与其加工数据之间建立对应关系，其中加工数据包括冷加载凸轮和冷加载凹轮各自的形状、所施加的力或位移量，热加载元件施加于待成型板材表面的线加热的输入电压和输入电流，以及用于维持冷热加载状态的加载起止位置、行走轨迹和行走速率；

(c)基于上述所建立的对应关系，选择确定适当的加工数据，并相应驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载，在此过程中，首先通过驱动热加载元件将板材加热到指定温度，然后通过驱动冷加载凸轮和冷加载凹轮在此温度下执行力或位移加载，利用线加热成型和凸、凹轮加载成型的共同作用使得板材产生弯曲；以此方式，通过冷加载凸、凹轮和热加载元件在板材板面上的行走，形成板材的整体双向曲率塑性变形；

(d)对板材的成型效果进行监测，并比较和反馈已成型形状、曲率与目标形状、曲率之间的差异，基于所述差异，再次执行步骤(b)～(c)，直至形成符合加工目标的双向曲率板。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，所述冷加载凸轮和冷加载凹轮包括多套形状和尺寸规格，并可拆卸地配备在板材输送路径的上、下两侧；这些冷加载凸、凹轮自身的安装位置保持不变，且可相对旋转以保持与待成型板材的进给方向保持一致。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选采用计算机仿真技术来为待成型板材的基础数据与其冷热加载参数和加载路径之间建立对应关系。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，对于为待成型板材的基础数据与其冷热加载参数和加载路径之间建立对应关系的过程，优选还包括构建冷热一体成型专家数据库的操作，该冷热一体成型专家数据库用于基于所输入的基础数据，快速获得对应的加工数据；或是在板材已发生塑性变形但仍与加工目标存在差异时，用于再次获得后续的加工数据。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选还包括采用人工神经网络算法来获得最优加工数据的操作，该操作具体如下：首先选取待成型板材的基础数据作为神经网络的输入样本，同时选取冷热加载参数和加载路径作为输出样本；利用输入样本和输出样本对神经网络进行训练，以便对其神经元个数和隐藏层层数进行优化；最后，将优化后的网络存储在所述冷热一体成型专家数据库中备用。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，对于驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载的过程，优选采用分次加载，以便减小反弹，同时提高最大加载曲率。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，优选采用固有应变模型，将冷加载中的加压荷载和热加载中的温度场共同转换为固有应变，然后施加于待成型板材的板面。

作为进一步优选地，在步骤(d)中，优选采用激光监测技术对板材的成型效果进行实时监测，并比较和反馈已成型效果与加工目标之间的差异。

作为进一步优选地，所述船舶双向曲率板包括鞍形板、帆型板或扭曲板之类的典型船舶板，以及耐压容器板之类的其他类型双向曲率板。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术效果：

1、通过结合线加热和冷加载各自的特点并将其一体化运用至船舶双向曲率板的成型过程，尤其是对其具体加载过程进行设计，这样既能够克服现有线加热法不能加工大曲率板的缺陷；此外，还能够有效避免高温对板材材质的不利影响，降低工艺操作复杂性，进一步提高成型精度；

2、通过在冷热一体加载过程中采用局部加载和渐进成型，这样能够在减小变形回弹的同时，减小加载装置所需的驱动力，降低对加载装置本身及其安装地基的要求；

3、通过为待成型板材的基础数据与加工数据之间构建专家数据库，与现有技术中依赖手工和人为经验执行成型过程的方式相比，可以大幅度提高船舶建造过程的自动化程度和成型加工效率，缩短制造周期；此外，通过采用适当算法来获得最优加载方案，能够采用有效减少加载路径的长度，进一步提高成型精度和效率；

4、按照本发明的冷热一体成型方法便于操控、同时具有智能化、高精度、应用范围广的优点，因而尤其适用于鞍形板、帆型板和扭曲板之类的大曲率板的自动化成型用途。

附图说明

图1是按照本发明用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法的工艺流程图；

图2是按照本发明优选实施例所构建的冷热一体成型系统的应用场景图；

图3a是从一个侧面用于显示冷热一体成型系统的主要构造示意图；

图3b是从另一侧面显示冷热一体成型系统的主要构造示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-冷热一体加载系统2-待成型板材11-上侧冷加载凸轮12-下侧冷加载凹轮13-热加载元件

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法的工艺流程图。如图1中所示，按照本发明的冷热一体成型方法主要包括下列的步骤：

第一步骤，为待成型的船舶双向曲率板构建冷热一体成型体系，以此期望通过结合线加热和冷加载各自的特点，并将其一体化运用至船舶双向曲率板的成型过程中，相应地，来克服现有线加热法不能加工大曲率板的缺陷，同时有效避免高温对板材材质的不利影响，降低工艺操作复杂性，进一步提高成型精度。

具体而言，如图2中所示，按照本发明一个优选实施例所构建的冷热一体成型系统1主要包括沿着板材输送路径的上、下两侧分别设置的冷加载凸轮和冷加载凹轮，凸轮和凹轮相互对置，并通过相对驱动来对待成型板材2的两个侧面执行力或位移加载，使得板材产生弯曲；此外，在其中一个加载轮譬如上侧冷加载凸轮11的前侧，布置有热加载元件13，该热加载元件13可绕着上侧冷加载凸轮11在水平面内发生旋转，以此方式将待成型板材加热到指定温度，利用线加热现象使板材发生变形，并根据加工板的材料属性与温度相关这一现象，利用热加载所形成的热影响区域，将冷加载的作用控制在热影响区域内，从而在形成板材的整体双向曲率变形的同时，提高加工板的冷加载成型效率，减少冷加载的回弹量，同时提高加工板的成型精度。当然，上述冷热加载也可以独立或单独采用，以便适应更多成型场合的需求。

更具体地，如图3中所示，所述上侧冷加载凸轮11、下侧冷加载凹轮12譬如呈现通过轴销与容纳座连接的立辊形式，该容纳座可旋转地联接在立轴上，由此可实现凸、凹轮在板材表面上任何方向的行走。按照本发明的一个优选实施方式，这些冷加载凸、凹轮优选包括多套形状和尺寸规格，并可拆卸地配备在板材输送路径的上、下两侧，这些冷加载凸轮自身的安装位置保持不变，且可相对旋转以保持与待成型板材的进给方向保持一致。对于热加载元件，其譬如呈现可上下相对移动的柱状形式，它的下端配备有线加热头，并且通过与上述容纳座联接从而可绕冷加载凸轮在水平面内发生旋转，并对板材表面提供更大的热影响区域。

第二步骤，针对待成型板材，输入包括其材质、板厚、目标形状和目标曲率在内的一系列基础数据，然后根据成型工艺要求，譬如通过计算机仿真、试验和实际加工经验等方式为待成型板材的基础数据与其加工数据之间建立对应关系，其中加工数据具体包括冷加载凸轮和冷加载凹轮各自的形状、所施加的力或位移量，热加载元件施加于待成型板材表面的线加热的输入电压和输入电流，以及用于维持冷热加载状态的加载起止位置、行走轨迹和行走速率，等等。

按照本发明的一个优选实施方式，对于为待成型板材的基础数据与其冷热加载参数和加载路径之间建立对应关系的过程，优选还包括构建冷热一体成型专家数据库的操作，该冷热一体成型专家数据库用于基于所输入的基础数据，快速获得对应的加工数据；或是在板材已发生塑性变形但仍与加工目标存在差异时，用于再次获得后续的加工数据。这样，与现有技术中依赖手工和人为经验执行成型过程的方式相比，可以大幅度提高船舶建造过程的自动化程度和成型加工效率，缩短制造周期，这一点对于船舶制造行业而言具备突出的意义，并能带来显著的经济效益。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，优选通过采用适当算法，例如人工神经网络算法来获得最优加工数据，由此有效减少加载路径的长度，进一步提高成型精度和效率。在操作具体优选如下：首先选取待成型板材的基础数据作为神经网络的输入样本，同时选取冷热加载参数和加载路径作为输出样本；利用输入样本和输出样本对神经网络进行训练，以便对其神经元个数和隐藏层层数进行优化；最后，可以将优化后的网络存储在所述冷热一体成型专家数据库中备用。

第三步骤，基于上述所建立的对应关系，选择确定适当的加工数据，并相应驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载，在此过程中，如上构建冷热一体成型系统所具体解释地那样，首先通过驱动热加载元件将板材加热到指定温度，然后通过驱动冷加载凸轮和冷加载凹轮在此温度下执行力或位移加载，使得板材产生弯曲；以此方式，通过冷加载凸、凹轮和热加载元件在板材板面上的行走，形成板材的整体双向曲率塑性变形。

在此步骤中，按照本发明的一个优选实施方式，对于驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载的过程，优选采用局部加载和渐进成型的方式，这样能够在减小变形回弹的同时，减小加载装置所需的驱动力，降低对加载装置本身及其安装地基的要求。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，还可以采用固有应变模型，将冷加载中的加压荷载和热加载中的温度场共同转换为固有应变，然后施加于待成型板材的板面。其中固有应变模型可设计如下：分别对冷加载和热加载过程进行分析，提取板材变形后的固有应变，同时确立固有应变与冷热加载参数之间的关系；接着，针对某一确定的冷加载操作中的加压荷载和热加载操作中的温度场，将其转换为固有应变，再将固有应变以等效应变的方式加载到板模型上。以此方式，测试表明可以进一步提高仿真速度和加载效率。

最后，对板材的成型效果进行监测，并比较和反馈已成型形状、曲率与目标形状、曲率之间的差异，基于所述差异，再次执行以上选择确定、加载和监测等步骤，直至形成符合加工目标的双向曲率板。

在此步骤中，优选采用激光监测技术对板材的成型效果进行实时监测，并比较和反馈已成型效果与加工目标之间的差异。以此方式，通过对成型形状和目标形状的监测比对，反馈已成型形状与目标形状的差异，从而可以利用上述提及的冷热一体成型专家数据库系统，再次规划冷热一体加载参数与加载路径，实施自动行走加载加工，直至形成满足目标形状的要求。

综上所述，按照本发明的冷热一体成型方法有效结合了冷、热成型加工各自的特点，并采用特定操作设备和计算机仿真技术等将其一体运用至成型加工过程，能够提高加工效率的同时，减低加工对板材性能的不利影响，同时具有智能化、高精度、应用范围广的优点，因而尤其适用于鞍形板、帆型板和扭曲板之类的大曲率板的自动化成型用途。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于船舶双向曲率板的冷热一体成型方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)为待成型的船舶双向曲率板构建冷热一体成型体系，该体系中沿着板材输送路径的上、下两侧分别设置有对置的冷加载凸轮和冷加载凹轮，并在所述冷加载凸轮的前侧布置有热加载元件，该热加载元件可绕所述冷加载凸轮在水平面内发生旋转；

(b)针对待成型板材，输入包括其材质、板厚、目标形状和目标曲率在内的基础数据，然后根据成型工艺要求，为待成型板材的基础数据与其加工数据之间建立对应关系，其中加工数据包括所述冷加载凸轮和所述冷加载凹轮各自的形状、所施加的力或位移量，所述热加载元件施加于待成型板材表面的线加热的输入电压和输入电流，以及用于维持冷热加载状态的加载起止位置、行走轨迹和行走速率；

(c)基于上述所建立的对应关系，选择确定适当的加工数据，并相应驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载，在此过程中，首先通过驱动所述热加载元件将板材加热到指定温度，然后通过驱动所述冷加载凸轮和所述冷加载凹轮在此温度下执行力或位移加载，利用线加热成型和凸、凹轮加载成型的共同作用使得板材产生弯曲；以此方式，通过冷加载凸、凹轮和热加载元件在板材板面上的行走，形成板材的整体双向曲率塑性变形；

(d)对板材的成型效果进行监测，并比较和反馈已成型形状、曲率与目标形状、曲率之间的差异，基于所述差异，再次执行步骤(b)～(c)，直至形成符合加工目标的双向曲率板。

2.如权利要求1所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述冷加载凸轮和冷加载凹轮包括多套形状和尺寸规格，并可拆卸地配备在板材输送路径的上、下两侧；这些冷加载凸轮和冷加载凹轮自身的安装位置保持不变，且可相对旋转以保持与待成型板材的进给方向保持一致。

3.如权利要求1或2所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(b)中，采用计算机仿真技术来为待成型板材的基础数据与其冷热加载参数和加载路径之间建立对应关系。

4.如权利要求3所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(b)中，对于为待成型板材的基础数据与其冷热加载参数和加载路径之间建立对应关系的过程，还包括构建冷热一体成型专家数据库的操作，该冷热一体成型专家数据库用于基于所输入的基础数据，快速获得对应的加工数据；或是在板材已发生塑性变形但仍与加工目标存在差异时，用于再次获得后续的加工数据。

5.如权利要求4所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(b)中，还包括采用人工神经网络算法来获得最优加工数据的操作，该操作具体如下：首先选取待成型板材的基础数据作为神经网络的输入样本，同时选取冷热加载参数和加载路径作为输出样本；利用输入样本和输出样本对神经网络进行训练，以便对其神经元个数和隐藏层层数进行优化；最后，将优化后的网络存储在所述冷热一体成型专家数据库中备用。

6.如权利要求1或2所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(c)中，对于驱使所述冷热一体成型体系对待成型板材的板面执行加载的过程，采用分次加载，以便减小反弹，同时提高最大加载曲率。

7.如权利要求6所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(c)中，采用固有应变模型，将冷加载中的加压荷载和热加载中的温度场共同转换为固有应变，然后施加于待成型板材的板面。

8.如权利要求1或2所述的冷热一体成型方法，其特征在于，在步骤(d)中，采用激光监测技术对板材的成型效果进行实时监测，并比较和反馈已成型效果与加工目标之间的差异。