基于热弹塑性有限元法船舶薄板结构焊接变形模拟与预报
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摘 要 ：本 文论述 了基 于热 弹塑性有 限元法对 不同焊接顺序 下薄板焊接变形 的模 拟和预报 ，介绍 了模 拟过程 中 关键 问 题 的处 理 ，如 材 料 相 变 的 应 对 措 施 ，移 动 热 源 的加 载 过 程 的模 拟 ，生 死 单 元 法在 焊 缝 生 成 模 拟 中 的 应 用 。 本 文 以 Ｔ型 构 件 两 侧 角 焊 缝 为 研 究 对 象 ，设 计 ４个 常 用 焊 接 顺 序 ，利 用 Ａｎｓｙｓ分 别 模 拟 不 同 顺 序 下 的焊 接 过 程 ，并 进 行 热 弹 塑 性 有 限 元 分 析 ，根 据 温 度 场 与 合 位 移 场 分 布 情 况 ，得 出 焊 接 变 形 的 最 小 的最 佳 焊 接顺 序 。 说 明 基 于 热 弹 塑 性 有 限元 法 可 以 实 现 不 同 焊 接 顺 序 下 焊 接 变 形 的模 拟 和 预 报 。计 算 结 果 与 实 测 一 致 。
关 键 词 ：热 弹 塑 性 有 限 元 法 ；薄 板 结 构 ；焊 接 顺 序 ；焊 接 变形 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １６７２—７６４９（２０１８）０５ ００５２ ０４ ｄｏｉ：１Ｏ．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１８．０５．００９
Ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ
Ｙ ＵＡＮ Ｈ ｏｎｇ·ｌｉ，Ｙ ＡＮ Ｙｏｎｇ—ｓｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔ ｉｃ—ｐｌａｓｔ ｉｃ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔ ｈ ｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔ ｈ ｅ ｔｒｅａｔｍ ｅｎｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｗ ｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈ一 ０ｄ ｏｆ Ｂｉｒｔｈ ａｎｄ Ｄｅａｔｈ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｆ ｉｌｌｅｔ ｗｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔ—ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｃｏｍ ｍｏｎ ｉｎ ｓｈｉｐｓ ａｓ ａｎ
第 ４０卷 第 ５期
舰 船 科 学 技 术
ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ
Ｖｏ１．４０．Ｎ ｏ．５ Ｍ ａｙ ，２０１８
基 于 热弹 塑性 有 限元 法船 舶 薄板 结构
焊 接 变形模 拟 与 预报
袁红 莉 ， 闫永 思 （集美 大学 轮 机 工程 学 院 ，福 建 厦 门 ３６１０２１）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ； ｔｈｉｎ ｐｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ； ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍｍｉｏｎ
０ 引 言
随 着 人 们 对 于 环 保 越 来 越 重 视 ，船 舶 也 向 着 轻 量 化 、绿 色 化 的 方 向发 展 。薄 板 具 有 重 量 轻 、易 成 型 等 优 点 … ，在 造 船 中 应 用 日益 广 泛 。但 薄 板 结 构 易 变 形 、稳 定性差 ，尤其是 焊接变 形 ，影 响船舶建 造精度 和 结 构 的 安 全 性 。船 舶 结 构 多 由 板 材 与 型 材 拼 装 焊 接 而成 ，在焊接 过程 中 ，焊接顺 序不 同 ，构件产 生 的焊 接 变 形 差 异 较 大 ，船 厂 主 要 根 据 以 往 积 累 的经 验 来 选
ｅｘａｍｐｌｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｆｏｕｒ ｃｏｍｍｏｎｌｙபைடு நூலகம்ｕｓｅｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ，
ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒ ｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒ ｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃ— ｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｆ ｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ ｆ ｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｕｍ ｗ ｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅ— ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅｓ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｅ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔ ｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．
关 键 词 ：热 弹 塑 性 有 限 元 法 ；薄 板 结 构 ；焊 接 顺 序 ；焊 接 变形 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １６７２—７６４９（２０１８）０５ ００５２ ０４ ｄｏｉ：１Ｏ．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１８．０５．００９
Ｔｈｅ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ
Ｙ ＵＡＮ Ｈ ｏｎｇ·ｌｉ，Ｙ ＡＮ Ｙｏｎｇ—ｓｉ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔ ｉｃ—ｐｌａｓｔ ｉｃ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔ ｈ ｅ ｋｅｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔ ｈ ｅ ｔｒｅａｔｍ ｅｎｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ，ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｗ ｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍ ｅｔｈ一 ０ｄ ｏｆ Ｂｉｒｔｈ ａｎｄ Ｄｅａｔｈ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｆ ｉｌｌｅｔ ｗｅｌｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔ—ｔｙｐｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｃｏｍ ｍｏｎ ｉｎ ｓｈｉｐｓ ａｓ ａｎ
第 ４０卷 第 ５期
舰 船 科 学 技 术
ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ
Ｖｏ１．４０．Ｎ ｏ．５ Ｍ ａｙ ，２０１８
基 于 热弹 塑性 有 限元 法船 舶 薄板 结构
焊 接 变形模 拟 与 预报
袁红 莉 ， 闫永 思 （集美 大学 轮 机 工程 学 院 ，福 建 厦 门 ３６１０２１）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ； ｔｈｉｎ ｐｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ； ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍｍｉｏｎ
０ 引 言
随 着 人 们 对 于 环 保 越 来 越 重 视 ，船 舶 也 向 着 轻 量 化 、绿 色 化 的 方 向发 展 。薄 板 具 有 重 量 轻 、易 成 型 等 优 点 … ，在 造 船 中 应 用 日益 广 泛 。但 薄 板 结 构 易 变 形 、稳 定性差 ，尤其是 焊接变 形 ，影 响船舶建 造精度 和 结 构 的 安 全 性 。船 舶 结 构 多 由 板 材 与 型 材 拼 装 焊 接 而成 ，在焊接 过程 中 ，焊接顺 序不 同 ，构件产 生 的焊 接 变 形 差 异 较 大 ，船 厂 主 要 根 据 以 往 积 累 的经 验 来 选
ｅｘａｍｐｌｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｆｏｕｒ ｃｏｍｍｏｎｌｙபைடு நூலகம்ｕｓｅｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ，
ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒ ｍ ａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒ ｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃ— ｔｅｄ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｆ ｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ ｆ ｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｕｍ ｗ ｅｌｄｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅ— ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅｓ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍ ｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｌｅ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔ ｈｅ ａｃｔｕａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．