CN114139423A - 一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法 - Google Patents

一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，包括：按照板架结构的空间结构，设定一个方向为主方向，一个方向为副方向，使板架结构内横向桁材与纵向桁材围成板格，并对板格依次编号。将每个板格中的焊缝分多个组，并根据板格编号对多个组进行命名。计算出焊接始点到焊接终点之间的所有焊接路径。计算每条焊接路径的总固有应变值，以总固有应变值最小值的焊接路径作为板架结构的焊接顺序。本申请利减小了船舶多焊缝大型板架结构焊接顺序设计的工作量，以焊接组为基本单位开展焊接顺序设计和优化。能够显著缩减多焊缝结构仿真模拟周期，节省了仿真时间，所获得的焊接顺序和船舶建造施工习惯相符合，便于指导实际施工。

Description

一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法
技术领域
本申请涉及船舶板架焊接技术领域，具体而言，涉及一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法。
背景技术
板架结构是船舶最常见的结构形式，在主船体底板、舷侧、甲板、上层建筑等处广泛采用，由纵横交错的大桁材和小骨材与底板焊接而成，并将底板分割成大小不同的板格。由于焊接热输入的影响，板架结构在焊后将发生焊接变形，焊接变形需花费大量人工和动能源进行矫正，有些变形甚至难以矫正，这对船舶建造效率的提高和生产成本的降低带来不良影响，并影响结构建造质量。
焊接顺序对结构的焊接变形有显著影响，可以通过优化焊接顺序控制和改善焊接变形，但板架结构焊缝数量众多，可达上千条，在空间上纵横交错，在制定该类结构焊接顺序时，只能依靠经验给出大致的焊接方向，很难给出更详细的工艺指导。
随着焊接有限元仿真技术的发展，可对构件开展不同焊接顺序下的焊接变形仿真计算，为实际施工提供详细指导。但由于船舶大型板架结构焊缝数量众多，如要仿真所有焊缝的焊接顺序，并通过改变焊缝间的焊接顺序来开展工艺优化，将耗费大量的仿真设计时间。另外，船体结构建造由多焊工分区域进行焊接，在大型分段施工时，如按单条焊缝的仿真优化结果规定每个焊工的焊接顺序，容易造成混淆和依赖，带来施工混乱。
综上所述，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，通过该方法能显著缩短焊接仿真的周期，仿真结果符合现场施工特点，易于指导现场开展焊接顺序优化。
提供了一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，包括以下步骤：
根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程获取焊缝处的热膨胀系数。
按照板架结构的空间结构，设定一个方向为主方向，一个方向为副方向，使板架结构内横向桁材与纵向桁材围成板格，并对板格依次编号。
将每个板格中的焊缝分为一个或多个组；并根据板格编号对一个或多个组进行命名。
计算出焊接始点到焊接终点之间的所有焊接路径。
将所述热膨胀系数赋予各组并设置拘束条件，计算每条焊接路径的总固有应变值，以总固有应变值最小值的焊接路径作为板架结构的焊接顺序。
在一种实施方案中，所述将每个板格中的焊缝分为一个或多个组包括：将其中一个所述板格内桁材与底板的所有角焊缝设为一个焊接组。或者将同一板格主方向的角焊缝编为一个组，副方向的角焊缝编为另一个组。
在一种实施方案中，所述焊接路径包括在主方向上的焊接路径和副方向上的焊接路径，所述焊接路径的焊接顺序至少包括：逐个焊接组进行焊接。或者从中部向两端进行对称焊接。或者从两端向中部进行对称焊接。或者采用跳焊法进行焊接。
在一种实施方案中，对焊接组的组内各条焊缝的焊接顺序设计包括：将板格内的多条桁材按顺时针或逆时针的顺序逐条与底板进行焊接，组内各条焊缝的焊接顺序不记入组与组之间的焊接顺序。
在一种实施方案中，所述根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程获取焊缝处的热膨胀系数包括：选取工艺试板进行焊接试验，获得工艺试板焊接试验的焊接变形；对同尺寸的工艺试板进行仿真焊接，在仿真焊接中的焊接变形与工艺试板的焊接试验中的焊接变形吻合时，提取仿真焊接的仿真参数并计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
在一种实施方案中，所述计算仿真焊接中材料的热膨胀系数包括：提取熔化区及热影响区节点处的等效塑性应变值，将等效塑性应变值对所有节点平均后获得熔化区及热影响区的固有应变值；根据固有应变值利用热弹塑性法计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
在一种实施方案中，所述仿真焊接中的焊接变形与工艺试板的焊接试验中的焊接变形吻合包括：工艺试板在焊接试验中得到的焊接变形为实际测量值，工艺试板在仿真焊接计算中得到的的焊接变形为仿真值，在实际测量值与仿真值之间的差值不大于10％时，提取仿真参数并计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
在一种实施方案中，工艺试板的焊接试验包括：焊接前，在工艺试板上的预定位置处进行标记。焊接后，测量标记处的横向收缩量及底板角变形量；解剖工艺试板，对熔化区及热影响区的进行宏观金相腐蚀，获得熔化区及热影响区轮廓的宏观金相照片。
在一种实施方案中，工艺试板的仿真焊接包括：建立与工艺试板尺寸相同的有限元模型，划分有限元网格，选择模型进行计算。调整仿真参数，使仿真焊接中得到的熔化区及热影响区轮廓与宏观金相照片中的熔化区及热影响区轮廓吻合，提取横向收缩量及底板角变形量。
在一种实施方案中，在工艺试板的仿真焊接中，对工艺试板的板架结构采用疏密结合的方式进行网格划分。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
本申请将板架结构中所有焊缝分为多个焊接组，每个所述焊接组作为焊接顺序规划中的基本单元，多个所述焊接组之间按照多个不同的焊接顺序进行仿真焊接的焊接变形计算，得出多个所述焊接顺序中具有最小焊接变形的焊接顺序，以此指导实际焊接。本申请能实现焊接顺序优化，达到减小构件焊接变形的效果。减小了船舶多焊缝大型板架结构焊接顺序设计的工作量，能够显著缩减多焊缝结构仿真模拟周期，节省了仿真时间，所获得的焊接顺序和船舶建造施工习惯相符合，便于指导实际施工。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为根据本申请实施例示出的一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法的流程图；
图2为图1中船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法的步骤S1的一种方法流程图；
图3为根据本申请实施例示出的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法中的板架结构组立示意图；
图4为图3中的板架结构的有限元模型示意图：
图5为图3中的板格中的焊缝分组示意图；
图6为板架结构中的焊缝组之间的第一种焊接顺序示意图；
图7为板架结构中的焊缝组之间的第二种焊接顺序示意图；
图8为板架结构中的焊缝组之间的第三种焊接顺序示意图；
图9为板架结构中的焊缝组之间的第四种焊接顺序示意图；
图10为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中横向位移对比图；
图11为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中纵向位移对比图；
图12为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中垂向位移对比图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为根据本申请实施例示出的一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法的流程图。参见图1，一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，包括以下步骤：
S1：根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程获取焊缝处的热膨胀系数。
S2：设定方向后使板架结构内横向桁材与纵向桁材围成板格，对板格依次编号。在步骤S2中，按照板架结构的空间结构，将结构内较大横向桁材与较大纵向桁材围成的板格依次编号。
S3：将每个板格中的焊缝分为一个或多个组，并根据板格编号对一个或多个组进行命名。
S4：计算出焊接始点到焊接终点之间的所有焊接路径。
S5：将所述热膨胀系数赋予各组并设置拘束条件，以每组内所有焊缝为单位，计算出焊接始点到焊接终点之间的所有焊接路径。计算每条焊接路径的总固有应变值，以总固有应变值最小值的焊接路径作为板架结构的焊接顺序。
本申请利用仿真方法计算并比较不同焊接顺序下板架结构的变形，实现焊接顺序优化，达到减小构件焊接变形的效果。本发明减小了船舶多焊缝大型板架结构焊接顺序设计的工作量，将船舶大型板架结构内上千条焊缝的仿真归结为几十组焊接组，以焊接组为基本单位开展焊接顺序设计和优化。能够显著缩减多焊缝结构仿真模拟周期，节省了仿真时间，所获得的焊接顺序和船舶建造施工习惯相符合，便于指导实际施工。
在一种实施方案中，图2为图1中船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法的步骤S1的一种方法流程图，参见图2，步骤S1包括以下步骤：
S101，通过工艺试板的焊接试验得到焊接变形的实际测量值。
在一种实施方案中，在步骤S101中，焊接前，在工艺试板上的预定位置处进行标记。焊接后，测量标记处的横向收缩量及底板角变形量；解剖工艺试板，对熔化区及热影响区的进行宏观金相腐蚀，获得熔化区及热影响区轮廓的宏观金相照片。
S102，通过对相同尺寸试板的仿真焊接，得到焊接变形的仿真值。
在一种实施方案中，在步骤S102中，建立与工艺试板尺寸相同的有限元模型，划分有限元网格，选择模型进行计算。调整仿真参数，使仿真焊接中得到的熔化区及热影响区轮廓与宏观金相照片中的熔化区及热影响区轮廓吻合，提取横向收缩量及底板角变形量。
在一种实施方案中，在工艺试板的仿真焊接中，对工艺试板的板架结构采用疏密结合的方式进行网格划分。
S103，在实际测量值与仿真值吻合时，提取熔化区及热影响区节点处的等效塑性应变值。
在步骤S103的一种实施方案中，在步骤S101中，工艺试板在焊接试验中得到的横向收缩量及底板角变形量为实际测量值。在步骤S102中，工艺试板在仿真焊接计算中得到的的横向收缩量及底板角变形量为仿真值。当实际测量值与仿真值之间的差值小于等于10％时，提取仿真参数并计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。当实际测量值与仿真值之间的差值大于10％时，继续调整仿真参数进行仿真计算，直至实际测量值与仿真值之间的差值小于等于10％。
S104，将等效塑性应变值对所有节点平均后获得熔化区及热影响区的固有应变值。
S105，根据固有应变值利用热弹塑性法计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
具体的，如图3所示，图3为根据本申请实施例示出的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法中的板架结构组立示意图，长度为11710mm，宽度为3295mm，底板厚度6mm，安装有22根单头球扁钢，6根T排，球扁钢规格为100×7mm，T排规格为120×15/250×10mm，开设3处舷窗，材料为AH36高强度船体结构钢，焊接方式采用CO2气体保护焊，围壁板内焊缝主要包括扶强材间立角焊缝，扶强材与底板间平角焊缝，忽略其他类型焊缝，共有192条平角焊缝。获取上述多焊缝板架结构焊缝处的热膨胀系数的具体操作步骤如下：
根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程开展试板焊接工艺试验，T型接头试板面板尺寸为6×200×400(单位：mm)，腹板尺寸为7×150×400(单位：mm)，焊接工艺参数如表1所示：
表1典型接头焊接参数
Figure BDA0003393149030000061
对工艺试板进行焊接试验。焊接前，在工艺试板上的预定位置处进行标记。焊接后，测量标记处的横向收缩量及底板角变形量等尺寸变化。解剖工艺试板，对熔化区及热影响区的进行宏观金相腐蚀，获得熔化区及热影响区轮廓的宏观金相照片。
建立与工艺试板几何尺寸相同的双椭球热源有限元模型，焊角尺寸设为5mm，使用SYSWELD软件内Visual-Mesh模块对模型进行网格划分，焊缝及热影响区垂直于焊缝方向网格尺寸为0.5mm-1mm，平行于焊缝方向网格尺寸为2.5mm，双椭球热源长度设为10mm-15mm，宽度设为3.5mm-5mm，深度设为3mm-5mm，将仿真结果与宏观金相照片上所示的熔化区及热影响区轮廓进行比较，通过调整双椭球热源设置参数，包括热源参数、拘束条件，使结果和熔化区及热影响区轮廓吻合，然后开展热弹塑性有限元计算。
使用SYSWELD软件内Visual-Viewer模块进行数据处理，将计算的横向收缩量及底板角变形量的仿真值与实际测得的横向收缩量及底板角变形量的测量值比较，满足误差小于等于10％。
固有应变法采用间接法进行施加，忽略相变的影响，假定焊缝填充金属从高温冷却，在此过程中发生热收缩，冷却后的焊缝存在残余热收缩应变为εT，该应变等效于焊接接头的固有应变，则：
εT＝α×ΔT
式中：
α为材料的热膨胀系数；
ΔT为焊接温差，即材料从熔点冷却到室温的温度差。
通过修改软件内该材料数据内的α值，将热弹塑性计算获得的固有应变值施加到整体模型焊缝中。将材料在室温下屈服强度到抗拉强度区间的真实应力应变曲线作为输入参数。
在模型中熔化区及热影响区网格节点处提取固有应变，提取固有应变的节点数目不少于100，对各节点的固有应变值进行平均，然后除以AH36钢熔点与室温的差值ΔT，得到修正后的热膨胀系数。
在一种实施方案中，在步骤S3中，将一个板格内桁材与底板间的所有角焊缝编为一个组。或者将同一板格主方向的角焊缝编为一个组，副方向的角焊缝编为另一个组。并根据板格编号对其进行分别命名，依次类推，将所有横、纵向角焊缝按板格加入到对应的组内。
在一种实施方案中，在步骤S2和步骤S3中，将板架结构中围壁板长度方向定为主方向，宽度方向定为副方向，将结构内T排与球扁钢、球扁钢与球扁钢之间围成的板格内焊缝作为一个组，共计有53个组，如图5所示。
在一种实施方案中，对焊接组的组内各条焊缝的焊接顺序设计包括：将板格内的多条桁材按顺时针或逆时针的顺序逐条与底板进行焊接，组内各条焊缝的焊接顺序不记入组与组之间的焊接顺序。
具体的，本实施例中，一个组内的焊缝按逆时针方向施焊。
在一种实施方案中，在步骤S4中，改变主方向和副方向上组之间的焊接顺序，板架结构中的每个焊缝组的焊接顺序至少包括以下四种：
图6为板架结构中的焊缝组之间的第一种焊接顺序示意图，如图6所示，第一种焊接顺序(WSQ-1)：在主方向上采用从上端向下端逐个焊接组进行焊接，在副方向上采用从左端向右端逐个焊接组进行焊接。
图7为板架结构中的焊缝组之间的第二种焊接顺序示意图，如图7所示第二种焊接顺序(WSQ-2)：在主方向上采用跳焊法进行焊接，在副方向上，焊接组之间采用从中部到两端进行对称焊接。
图8为板架结构中的焊缝组之间的第三种焊接顺序示意图，如图8所示，第三种焊接顺序(WSQ-3)：在主方向上采用从中部向两端进行对称焊接，在副方向上，焊接组之间采用从中部到两端进行对称焊接。
图9为板架结构中的焊缝组之间的第四种焊接顺序示意图，如图9所示，第四种焊接顺序(WSQ-4)：在主方向上采用从两端向中部进行对称焊接，在副方向上，焊接组之间采用从中部到两端进行对称焊接。
在一种实施方案中，在步骤S1或步骤S5的焊接仿真中，采用SOLID单元类型对围壁板结构进行网格划分，由于舱壁板结构尺寸较大，考虑到焊接时塑性变形主要集中在焊缝及热影响区周围的狭小区域内，同时为保证计算精度并缩短计算时间，整体网格采取疏密结合的方式划分。
具体的，在步骤S5中，焊缝及周围区域采用较密集网格，网格在沿焊缝方向长度为25mm，垂直焊缝于焊缝方向长度为2.5mm，底板远离焊缝区域网格为50-100mm，扶强材远离焊缝区域网格为25mm。划分完毕后，模型单元数为196256个，网格数为282009个。
在一种实施方案中，图4为板架结构的有限元模型示意图，如图4所示，在步骤S5中，将修正后的热膨胀系数作为加载施加到每组内各焊缝上，进行焊接变形仿真计算。图10为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中横向位移对比图，图11为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中纵向位移对比图，图12为板架结构在不同焊接顺序下的焊接变形仿真结果中垂向位移对比图。如图10至图12所示，通过以焊接组为单元进行焊接顺序设计和仿真能够找到最小变形的焊接顺序，为焊接顺序优化，从而控制焊接变形提供指导。
本申请通过将板架结构中所有焊缝分为多个焊接组，每个所述焊接组作为焊接顺序规划中的基本单元，多个所述焊接组之间按照多个不同的焊接顺序进行仿真焊接的焊接变形计算，得出多个所述焊接顺序中具有最小焊接变形的焊接顺序，以此指导实际焊接。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，包括：
根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程获取焊缝处的热膨胀系数；
按照板架结构的空间结构，设定一个方向为主方向，一个方向为副方向，使板架结构内横向桁材与纵向桁材围成板格，并对板格依次编号；
将每个板格中的焊缝分为一个或多个组；并根据板格编号对一个或多个组进行命名；
计算出焊接始点到焊接终点之间的所有焊接路径；
将所述热膨胀系数赋予各组并设置拘束条件，计算每条焊接路径的总固有应变值，以总固有应变值最小值的焊接路径作为板架结构的焊接顺序。
2.根据权利要求1所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，所述将每个板格中的焊缝分为一个或多个组包括：
将其中一个所述板格内桁材与底板的所有角焊缝设为一个焊接组；
或者将同一板格主方向的角焊缝编为一个组，副方向的角焊缝编为另一个组。
3.根据权利要求1所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，所述焊接路径包括在主方向上的焊接路径和副方向上的焊接路径，所述焊接路径的焊接顺序至少包括：
逐个焊接组进行焊接；或者从中部向两端进行对称焊接；或者从两端向中部进行对称焊接；或者采用跳焊法进行焊接。
4.根据权利要求3所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，对焊接组的组内各条焊缝的焊接顺序设计包括：将板格内的多条桁材按顺时针或逆时针的顺序逐条与底板进行焊接，组内各条焊缝的焊接顺序不记入组与组之间的焊接顺序。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，所述根据多焊缝板架结构接头规格以及焊接工艺规程获取焊缝处的热膨胀系数包括：
选取工艺试板进行焊接试验，获得工艺试板焊接试验的焊接变形；对同尺寸的工艺试板进行仿真焊接，在仿真焊接中的焊接变形与工艺试板的焊接试验中的焊接变形吻合时，提取仿真焊接的仿真参数并计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
6.根据权利要求5所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，所述计算仿真焊接中材料的热膨胀系数包括：
提取熔化区及热影响区节点处的等效塑性应变值，将等效塑性应变值对所有节点平均后获得熔化区及热影响区的固有应变值；根据固有应变值利用热弹塑性法计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
7.根据权利要求5所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，所述仿真焊接中的焊接变形与工艺试板的焊接试验中的焊接变形吻合包括：
工艺试板在焊接试验中得到的焊接变形为实际测量值，工艺试板在仿真焊接计算中得到的的焊接变形为仿真值，在实际测量值与仿真值之间的差值不大于10％时，提取仿真参数并计算仿真焊接中材料的热膨胀系数。
8.根据权利要求5所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，工艺试板的焊接试验包括：焊接前，在工艺试板上的预定位置处进行标记；
焊接后，测量标记处的横向收缩量及底板角变形量；解剖工艺试板，对熔化区及热影响区的进行宏观金相腐蚀，获得熔化区及热影响区轮廓的宏观金相照片。
9.根据权利要求8所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，工艺试板的仿真焊接包括：
建立与工艺试板尺寸相同的有限元模型，划分有限元网格，选择模型进行计算；
调整仿真参数，使仿真焊接中得到的熔化区及热影响区轮廓与宏观金相照片中的熔化区及热影响区轮廓吻合，提取横向收缩量及底板角变形量。
10.根据权利要求9所述的船舶多焊缝板架结构焊接顺序的仿真方法，其特征在于，在工艺试板的仿真焊接中，对工艺试板的板架结构采用疏密结合的方式进行网格划分。
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