船体曲面水火弯板加工工艺算法研究

第20卷 第8期 中 国 水 运 Vol.20 No.8 2020年 8月 China Water Transport August 2020
收稿日期：2020-03-30
作者简介：曹文馨（1986-），男，研发设计院，工程师，从事船体结构设计等工作。

船体曲面水火弯板加工工艺算法研究
曹文馨，樊洪良，冉建华
（研发设计院，上海 200136）
摘 要：水火弯板是船舶曲面外板成型的主要工艺，可靠的成型预测方法是板件成形自动化系统研究的基础。

本文研究了水火弯板加工的机理及加工工艺参数确定的算法。

在建立并以实验验证了水火弯板的数值模拟模型的基础上，确定了火焰成形的温度场和变形场等主要影响参数，提出了温度场及变形场的描述方案，并通过计算得出了板的温度场及变形场与主要加工参数之间的关系，最后对给定帆形板典型船体结构曲面板的水火成型过程进行了热弹性有限元模拟并确定加工工艺参数算法。

关键词：水火弯板；数值模拟；加热路径；温度场；变形场
中图分类号：U671.3 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）08-0050-03
一、引言
造船过程中有大量的船体曲面外板需要成型加工，对于较为复杂的给定型值的双曲率曲面板采用的是水火弯板进行加工。

水火弯板是一种曲面板成形的重要方法，该方法需预先布置加热线方案并采用火焰热源沿加热线加工并跟踪水冷的方式实现板件成形。

目前水火弯板的加工单纯是依靠人工和经验来确定加热线的位置和长度以及加热和冷却时间直至最终曲面的成形。

随着造船模式的转变，水火弯板自动加工设备的研制和应用日益成为一项急待解决的课题。

水火弯板自动加工设备是以水火弯板加工参数确定的理论为基础研制的。

加工参数的确定，是指对于一给定型值的双曲度船体外板，如何确定外板展开形状，加热线位置和长度，氧及丙烷的流量，喷嘴高度，加热温度，冷却方式及支撑形式等各种加工工艺参数。

只有在对以上各加工参数及最终变形之间的关系有了明确的认识之后，才能反过来根据这一关系确定，能够获得所需最终形状的加工参数。

而大量可靠的曲面参数和加工参数之间的关系数据是预报的基础。

数值模拟与实验相结合的方法是提供足量且可靠数据的良好途径。

因而本文首先分析变形场的主要影响参数及其和变形之间的关系，进而对给定型值的双曲率帆型板和加工工艺参数进行数值模拟。

二、主要研究内容
本文以典型船体结构曲板帆型板为研究对象，水火成型时采用火焰对曲板板材进行局部加热，并用水进行局部跟踪冷却，在钢板表面及厚度方向形成一定的温度分布，冷热作用使板产生局部塑性变形，从而将板弯成作要求的曲面形状。

水冷却时的冷却水管距火焰喷头有一定距离，并随火焰一起移动。

如图1所示。

实验中水火成型加工的火焰类型为氧气丙烷火焰，具体参数如表1所示。

采用数值模拟手段，研究曲面在既定加热参数和加热方
图1 水火弯板加工形式 表1 水火成型加工火焰参数
火工龙头 20A 3号喷嘴
气体压力 氧气约0.6MPA，丙烷约0.04MPA
喷嘴直径 3mm 焰芯温度 约3,100~3,200℃
焰芯到钢板的距离 15~20mm 火焰移动速度 0.5mm/s 加热宽度 约为板厚的2倍 钢板表面最高温度
600~800℃
案下的成型效果，分析水火线加热过程中曲板的变形和应力发展规律，主要研究内容如下：
1．建立典型船体结构曲板数值分析模型
根据船体曲板设计尺寸，研究数值分析模型建模方法。

合理选择单元类型，兼顾计算精度和效率，确定适合于曲板的有限元计算网格。

2．水火线加热热源模型研究
开展水火线加热火焰数值模型研究。

根据水火线加热火焰类型、喷嘴流量、喷嘴距离等参数，研究火焰作用于曲板表面热流密度分布规律，确定合理的热源模型参数。

3．曲板水火成型过程温度场模拟
根据火焰加热路径、移动速度和冷却条件等工艺参数，采用瞬时移动热源模拟曲板水火成型过程的温度场，计算水火线加热过程瞬时和散热冷却后的曲板温度场分布。

第8期 曹文馨等：船体曲面水火弯板加工工艺算法研究 51
4．曲板水火成型过程变形和应力规律研究
在温度场模拟的基础上，计及结构变形的几何非线性，开展水火成型过程变形和应力分布规律研究。

三、研究方法 1．计算软件
本研究采用ABAQUS 大型有限元分析软件完成数值计算。

ABAQUS 包含一个具有交互作用的图形模块ABAQUS/CAE 和两个主分析模块ABAQUS/Standard （隐式求解器）和ABAQUS/Explicit（显式求解器）。

2．顺序耦合热弹塑性有限元法
船体典型结构曲板水火成型过程采用顺序耦合热弹塑性有限元法模拟，整个模拟过程包含两步：传热学温度场分析和结构弹塑性力学分析。

在水火弯板数值模拟计算时，采用顺序耦合的方法：即仅考虑温度场对力学场的影响，忽略后者对前者的反作用。

采用顺序耦合热弹塑性有限元法模拟曲板水火成型过程，能较好地反映曲板外形、加热速度和顺序、加热路径、冷却条件等对水火成型具有重要影响的工艺参数，同时也能获得水火弯板加热过程中的材料热力学响应，模拟计算精度较高。

3．计算原理 （1）热交换理论
在曲板水火成型过程中，曲板板材内部和与周围介质发生热量传递，热传递的基本方式有：热传导、热辐射、热对流。

1）热传导
通过对大量实际热传导问题的研究，该现象可以利用傅里叶方程进行描述：q=K*（T1-T2）*t
2）热对流可以分为两类：自然对流与强制对流。

热对流可以用该方程描述：q=h*（T1-T2）
（2）焊接温度场
在曲板水火成型过程中，辐射和对流是热能传输的最主要的方式，曲板板材被加热后，通过热传导方式将热量传递给周围材料。

热源附近温度随时间及空间剧烈变化，温度场具有非线性瞬态特点。

（3）应力变形场
曲板水火成型时瞬态热输入使得板材产生弹塑性变形和残余应力。

应力应变的求解以温度场的分析为基础，通过在热循环过程中逐步计算热应力应变，最终获得结构残余应力应变。

力学场分析中包含以下四个基本关系：应力-应变关系
（本构关系）、应变-位移关系（相容性关系）、平衡条件、边界条件。

应力场计算时存在几何非线性及材料非线性，在求解时将其视作非线性瞬态问题，选用弹塑性力学模型，利用增量理论求解。

4．加热火焰数值模型
曲板水火成型时，火焰直接作用于构件表面，热流输入密度可用高斯分布表面热源模型模拟。

表面热源模型将热源的热量从工件表面输入，通过热传导作用把热量传输到焊接工件的其他区域。

该热源模型适用于板厚方向热梯度较小的焊接温度场模拟。

高斯表面热源模型分布如图2所示。

图2 高斯分布热流密度模型
四、帆型板成型数值模拟 1．曲面形状
水火成型帆型曲板的初始形状为经过冷压加工后具有单向曲度的U 型曲面板。

板厚12mm，材质E36钢，曲面板展开尺寸为1.8m*3m，曲面体具有横向（宽度方向）曲率，
中间500mm 为平直段，两边展长650mm 段为半径
1,000mm 的曲面，各段之间过渡平滑，形状如图3所示。

经水火成型后，U 型曲面板的曲面板横向曲率保持不变，纵向产生半径为5,000mm 的曲率，目标曲面如图4所示。

图3 帆型板初始曲面
图4 帆型板目标曲面
2．计算模型 （1）材料属性
水火成型过程热弹塑性有限模拟考虑随温度变化的材料特性。

帆型曲板材料为E36钢，其材料参数表现出高度的温度相关性。

（2）有限元模型
根据帆型曲板水火成型加工前的初始形状，采用板壳单元建立曲板有限元模型。

整个模型采用统一大小的四边形shell 单元建模，单元尺寸为10mm×10mm，单元总数为54,000，节点总数为54,481。

力学分析中，采用无约束界条件。

3．加热设计 （1）加热路径布置
52 中 国 水 运 第20卷 帆型曲板的水火成型模拟中采用了6种不同长度的加热线，分别在两长边的位置从中间向两边进行对称加热，加热线按长度编号为1~6，长度依次为70、60、50、40、30和20cm。

加热线布置如图5所示，所有加热均在Z 轴正向一侧进行，将加热线进行分组，每组包含11条线，相邻加热线之间的间隔为10mm，因此每组宽度为100mm，沿着板边缘总共布置30
组的加热线进行加热。

图5 帆型板加热线布置
（2）加热顺序
同一个组中的加热顺序编号从1~10，不同组的对应位置加热线均为有相同的顺序编号。

相同部分的组中，对应位置加热线同时进行，左右对称位置的加热线也同时进行。

计算中先进行奇数组中的加热，然后进行偶数组中的加热，因此该水火弯板成型的加热程序总共分20步进行：第1步加热所有奇数组组中所有编号为1的加热线，待完全冷却，进行第2步，加热标号为2的加热线，待完全冷却，进行第3步，以此类推，待奇数组中加热完毕后进行，再按照相同的顺序进行偶数组中的加热。

4．水火成型模拟结果 （1）帆型板成型后变型云图
图6是钢板的变形三视图。

由图可知，曲板中部下沉，上下两端向上变形，使得整体产生纵向曲率，其变形趋势与目标一致；同时从三视图中的前视图中看出，横向中部区域
相对于两边呈下沉趋势，即产生了横向曲率增大的变形。

（a）俯视图
（b）右视图
（c）前视图 图6 变形三视图
中剩下三个较短加热线进行加热。

后两阶段同样表现出相同规律：长线加热使垂向变形向中部集中，即横向曲率相对增大，短线加热使垂向变形在横向向两边扩张，横向曲率相对减小。

5．成型结果分析
帆型板纵向曲率基本已达到要求，但是不同位置处的弯曲程度有所差异，如表2所示。

纵向中线处（EF）的弯曲程度已达到并超过目标要求5.37%，向两侧曲率逐渐减小至目标曲率的95.77%；帆型板成型过程中，要求横向曲率不变，但实际加热过程中，产生了横向曲率，使得横向弯曲程度有所增大，即横向产生了收拢变形，其中，中部区域的收拢现
象尤为显著。

表2 帆型板不同位置曲率统计
位置
初始曲率 （mm ）
目标曲率 （mm ） 实际曲率 （mm ） 误差
BC 处 0
1/5,000
1/5221
-4.23%
纵向曲率
EF 处 0 1/5,000 1/4745 +5.37% AB 处 1/1,000 1/1,000 1/822 +21.7% 横向曲率 GH 处
1/1,000
1/1,000
1/745
+34.2%
五、结论
综合考虑水火弯板加工中的局部变形和整体变形，对数值模拟的加热路径布置和加热顺序进行了改进，建立了更符合实际的帆形板水火加工的热弹塑性数值模型，得到以下结论：
（1）曲面板正弯需通过水火加热产生曲板两侧部位的纵向，曲面板反弯需产生曲板中部区域的纵向收缩。

（2）水火弯板在产生纵向弯曲的过程中，比较容易附带产生横向展开或收拢变形，也容易在横向不同部位产生不同的纵向弯曲程度，应该在路径规划阶段从控制不同部位纵向收缩量的方面入手加以改善。

（3）曲面板水火成型有限元模拟中，帆型板纵向曲率与目标曲面吻合较好。

相关加工参数的算法基本准确，可作为水火加工自动化设备研制的理论基础。

参考文献
[1] 王顺，汪骥，刘玉君等.水火弯板整体变形的数值计算研
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