1、 第3 2卷第2期2 0 2 3年6月江苏海洋大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f J i a n g s u O c e a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.3 2 N o.2J u e.2 0 2 3 D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 6-8 2 4 8.2 0 2 3.0 2.0 0 7船舶舱室复杂焊件结构残余应力分析*李 阳,宁飞龙,赵思博,张梓涵,朱柏林,李成栋(江苏海洋大学 机械工程学院,江苏 连云港 2 2 2 0 0
2、5)摘 要:为更好地研究船舶舱室组立在焊接过程中的应力分布,通过A b a q u s对船舶舱室组立进行有限元建模,采用温度位移耦合有限元模型对焊接过程进行仿真。引入双椭球模型对热源进行定义,焊接仿真热分析过程中加入表面热辐射引起的散热,研究组立焊接过程中的温度、残余应力关系,并进一步讨论焊件中的横向应力和纵向应力的大小变化。仿真结果对实验结果起到分析指导作用,为实验提供理论依据,减少实验材料损耗。关键词:船舶舱室中组立;焊接;有限元分析;残余应力中图分类号:U 6 7 4.8 1 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 6-8 2 4 8(2 0 2 3)0 2-0 0 4 6-0 7R e
3、s i d u a l S t r e s s A n a l y s i s o f C o m p l e x W e l d m e n t S t r u c t u r e i n S h i p C a b i nL I Y a n g,N I NG F e i l o n g,Z HAO S i b o,Z HANG Z i h a n,Z HU B a i l i n,L I C h e n g d o n g(S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,J i a n g s u O c e a n U
4、n i v e r s i t y,L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o b e t t e r s t u d y t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e c a b i n a s s e m b l y d u r i n g t h e w e l d i n g p r o c e s s,t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g o f t h e
5、c a b i n a s s e m b l y i s c a r r i e d o u t i n t h i s p a p e r b y A b a q u s,t h e t e m p e r a t u r e-d i s p l a c e m e n t c o u p l e d f i n i t e e l e m e n t m o d e l i s u s e d t o s i m u l a t e t h e w e l d i n g p r o c e s s,a n d t h e d o u b l e e l l i p s o i d m
6、o d e l i s i n t r o d u c e d.T h e h e a t s o u r c e i s d e f i n e d,t h e h e a t d i s s i-p a t i o n c a u s e d b y s u r f a c e h e a t r a d i a t i o n i s a d d e d i n t h e w e l d i n g s i m u l a t i o n t h e r m a l a n a l y s i s p r o c e s s,t h e r e l a t i o n s h i p
7、b e t w e e n t e m p e r a t u r e a n d r e s i d u a l s t r e s s d u r i n g t h e w e l d i n g p r o c e s s i s s t u d i e d,a n d t h e m a g n i t u d e c h a n g e s o f t h e t r a n s v e r s e s t r e s s a n d l o n g i t u d i n a l s t r e s s i n t h e w e l d-m e n t a r e f u r
8、t h e r d i s c u s s e d.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s p l a y a n a n a l y t i c a l a n d g u i d i n g r o l e f o r t h e e x-p e r i m e n t a l r e s u l t s,p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e e x p e r i m e n t,a n d r e d u c e t h e l o s s o f e x p e r
9、i-m e n t a l m a t e r i a l s.K e y w o r d s:a s s e m b l y i n c a b i n;w e l d i n g;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;r e s i d u a l s t r e s s0 引言在现如今的船舶建造工艺中,机器人自动化焊接得到了广泛的应用,但在自动化带来便利的同时仍不可忽略我 国自动化 焊接技 术 相 对 落 后 的 事实1。为了更好地探究自动化焊接中残余应力的影响,对自动化焊接过程进行仿真研究具有十分重要的意义,通过仿真能够及时发现问题,并采取
10、措施加以消除2。为了建造更加节能且轻便的船体结构,在船舶舱室建造过程中,选定区域会采用厚度低于5 mm*收稿日期:2 0 2 2-0 9-1 4;修订日期:2 0 2 2-1 1-0 7作者简介:李阳(1 9 9 5),男,安徽合肥人,硕士研究生,研究方向为机械制造机器自动化,(E-m a i l)9 1 3 7 4 4 1 7 9q q.c o m。通信作者:李成栋(1 9 8 4),男,山东临沂人,高级工程师,博士,研究方向为焊接机器人技术,(E-m a i l)l i c h e n g d o n g 2 0 1 31 2 6.c o m。的轻型薄板3,而采用薄板也同样带来了新的挑战。
11、与厚板相比,薄板在焊接过程中形变量较大,这对板材的疲劳评估产生影响,而且薄板的厚度问题也会影响焊缝质量4。在焊接过程中,温度不均匀变化同样会使焊缝产生应力变化5,使焊接精度难以保证。本文对薄壁焊件焊接过程中温度场与应力分布之间的关系进行研究,分析船舶舱室组立的应力变化。1 船舶舱室组立规格为了研究焊接过程中产生的残余应力对薄板的影响,采用L i l l e m e等3在2 0 1 7年I S S C基准研究中对一艘客轮薄甲板疲劳评估中用到的舱室组立材料。如图1所示为游轮甲板中组立,用光学测量仪测得组立间隔为4 0 5 mm,网框间距为2 5 6 0 mm,加强筋定义为B P 8 0 mm5 m
12、m3,所有甲板尺寸如图2所示。图中显示结构为典型的薄甲板结构。焊接材料属性如表1所示。图1 甲板中组立3F i g.1 S h i p d e c k p a n e l3图2 中组立尺寸图6(单位:mm)F i g.2 C o m p o n e n t d i m e n s i o n s6(u n i t:mm)表1 船舶舱室组立材料性能参数T a b l e 1 P a r a m e t e r s f o r s t r u c t u r a l c a b i n m a t e r i a l s温度/传导率/(Wm-1-1)密度/(gc m-3)弹性杨氏模量/G P a泊
13、松比膨胀/塑性比热/(Jk g-1-1)04 3.87 9 0 01.9 91 020.2 9 41.7 01 0-52.6 51 084 6 01 0 04 5.37 8 8 01.9 31 020.2 9 51.7 11 0-52.1 81 084 6 52 0 04 8.37 8 3 01.8 51 020.3 0 11.8 01 0-51.8 61 084 8 03 0 05 3.77 7 9 01.7 61 020.3 1 01.8 61 0-51.7 01 084 9 54 0 05 4.07 7 5 01.6 41 020.3 1 81.9 11 0-51.4 91 085 1
14、56 0 06 2.47 6 6 01.5 91 020.3 2 61.9 61 0-51.1 51 086 5 08 0 07 1.77 5 6 01.5 51 020.3 3 52.0 21 0-59.1 01 076 7 51 2 0 09 6.67 3 7 01.5 01 020.3 5 12.0 71 0-52.5 01 076 7 01 3 0 01 0 1.17 3 2 01.4 51 020.3 6 12.1 11 0-52.1 01 076 6 51 5 0 03 6 0.07 3 0 01.4 31 020.3 8 52.1 61 0-51.0 01 076 6 02 建立
15、有限元模型建立三维有限元模型能够更加节能高效地研究组立的应力变化,可以建立瞬态的温度位移网格模型对焊接过程中的热应力以及残余应力进行分析。运用A b a q u s C A E软件中的C 3 D 8 T温度位移耦合单元类型对组立进行建模,建立的实体模型和有限元模型如图3所示。在对组立的焊接应力进行计算时,需要对焊件的形状、边界条件进行定义,并调整焊接的热源模型。为了得出准确的仿真结果,可以在A b a q u s C A E中开发子程序对上述参数进行调整,以使焊接仿真结果更加准确。图3 实体模型及有限元模型建模F i g.3 P a n e l g e o m e t r y a n d F
16、E m o d e l74 第2期李 阳等:船舶舱室复杂焊件结构残余应力分析焊件的边界条件如图4所示。在仿真过程中,需要对焊件的两端进行固定,以满足静力稳定的要求,并设置焊件的环境温度为2 5,膜层散热系数为1 0 0,环境温度和膜层散热系数均为瞬态值。同时,由于焊件尺寸较大,考虑到焊件结构的连续性以及对称性,可以对焊件的结构进行合理的简化和省略,这样能在保证仿真结果准确性的同时减少计算时间。图4 边界条件F i g.4 B o u n d a r y c o n d i t i o n本文所采用的焊接热源模型为G o l d a k双椭球热源模型7-8,如图5所示。热源的焊接方向有x轴正方向、y轴正方向、z轴正方向、x轴负方向、y轴负方向、z轴负方向6种。由于热分析过程重复度高,故本文仅讨论y轴正方向的研究过程。焊接方向沿y轴正方向,参数ah,bh,ch f,ch r分别代表如图5所示的两个半椭球形几何描述(仅在焊接方向半轴长度不同)。考虑到点(,)存在于前半椭球内的笛卡尔坐标系中,则热密度可以表示为qa f,=6 3ffQaahbhch f e x p-32a2h+-v t 2b2
