典型船体焊接工艺参数设计优化及仿真验证
现代船舶工业发展迅速，焊接是船舶制造中最重要的加工过程，一直以来，人们对于焊接工艺的改进主要依靠平时焊接相关实验数据以及个人经验的分析和总结，始终没有形成一套科学的、有效的方法以及预测焊接变形的手段。近代以来，模拟预测成为了预测焊接整个流程并仿真模拟解决的最佳方案。不同的焊接工艺参数对于焊接的效率和质量起着关键的作用。因此研究焊接的仿真以及工艺参数的优化显得很有必要。本论文借鉴国内外的研究成果，通过SYSWELD来进行焊接仿真和参数优化。本人主要从以下三个方面进行研究：1、通过收集资料掌握焊接模拟仿真的理论基础，并且在熟悉SYSWELD软件的基础上规划整体仿真的流程并进行简单的T型接头仿真。2、对典型的船体焊接工艺平对接进行分析来确定各个参数对焊接效果的影响，并且对已有的工艺进行仿真，采用双椭球热源模型进行加载，在SYSYWELD软件中进行求解。3、对焊接的速度和坡口类型进行优化。重点通过Visual-Viewer来对求解的结果从温度场、残余应力、变形量进行综合考量。将结果以图像或者表格的形式进行分析比较从而得到最合理的焊接参数。关键词 焊接工艺； 热弹塑性； 双椭球热源； 数值模拟：SYSWELD 目录
第一章 绪论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2 数值模拟国内外研究现状 2
1.2.1国外研究概况 2
1.2.2国内研究概况 2
1.2.3国内外研究存在的问题 3
1.3 研究内容 4
1.4本章小结 5
第二章 焊接工艺仿真理论及方法 6
2.1焊接温度场的模拟 6
2.1.1焊接温度场的概念和表征 6
2.1.2 焊接温度场的基本方程 6
2.2焊接变形的预测方法 8
2.2.1解析法 8
2.2.2热弹塑性有限元法 8
2.3热源模型的影响分析 10
2.3.1热源模型的基本特征 10
2.3.2不同热源模型的影响 11
2.4基于有限元理论的焊接工艺仿真方法 12
2.5基于SYSWELD的焊接仿真实施流程介绍 13
2.5.1模型建立 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> 2.2.1解析法 8
2.2.2热弹塑性有限元法 8
2.3热源模型的影响分析 10
2.3.1热源模型的基本特征 10
2.3.2不同热源模型的影响 11
2.4基于有限元理论的焊接工艺仿真方法 12
2.5基于SYSWELD的焊接仿真实施流程介绍 13
2.5.1模型建立 13
2.5.2网格划分 14
2.5.3提取散热面 15
2.5.4热源的设定 15
2.5.5焊接夹具约束定义 16
2.5.6模型存储 17
2.5.7热冶金和力学性能求解 17
2.6本章小结 19
第三章 典型船体结构焊接工艺仿真及分析 20
3.1典型船舶构件的焊接工艺分析 20
3.2基于SYSELD的Y型对接接头焊接工艺仿真 22
3.3计算结果与分析 23
3.3.1 温度场计算结果 23
3.3.2 应力场及变形计算结果 25
3.4本章小结 27
第四章 焊接工艺参数优化 28
4.1焊接速度优化 28
4.1.1速度对温度场的影响 28
4.1.2速度对残余应力和变形的影响 29
4.2焊件坡口类型优化 31
4.2.1不同坡口对温度场的影响 32
4.2.2不同坡口对残余应力的影响 33
4.3焊件坡口尺寸 34
4.4焊接材料 35
4.5焊丝直径 36
4.6焊接电源种类与极性 37
4.7焊接电流与电弧电压 37
4.8焊接热源选择 38
4.9本章小结 39
结论与展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1选题背景和意义
随着海洋的快速开发，与其相配套的水上交通、钻井平台以及国防舰船制造等现代化综合性产业对于船舶工业提出了越来越苛刻的要求，焊接作为船舶制造中最重要的加工手段，是一种通过加热或者加压，或两者共用的主要的金属加工工艺，由于复杂的动态高温和瞬态以及不均匀的加热和冷却过程,很容易导致无法避免的焊接应力变形,最终影响到整个结构的强度、韧性、精度等。焊接水平的高低极大地影响了建造船体的质量和生产效率，焊接过程中可能产生的能量的不均匀、材料的协调非塑性应变以及焊接残余应力的存在使得实际焊接过程中可能会使船体的结构产生各种焊接变形。而焊接变形往往又会导致焊接结构整体或者局部的形状变化，无法保证符合要求的尺寸精度并且承载能力也会被削弱，同时在高强度载荷作用下可能会出现附加弯矩以及应力集中现象，这些情况的出现也会造成船舶的焊接结构丧失本有的功能[12]。
一直以来，人们对于焊接工艺的改进主要依靠平时焊接相关实验数据以及个人经验的分析和总结，始终没有形成一套科学的、有效的方法以及预测焊接变形的手段。近代以来，模拟预测成为了预测焊接整个流程并仿真模拟解决方案的最佳方案。现如今有限元划分的理论在焊接中的应用已十分成熟能[3]，基于有限元理论的商业模拟软件也经历了多个版本的更替，并且这些软件已经在各行各业尤其是焊接行业显示出了极其重要的位置。随着现代制造业的飞速发展，各个行业对于材料的性能和精度都提出了很高的要求，在过去焊接的相关设计只能依赖实验来确定一些具体参数的优化情况，这样一来难免会提高了相关研发的经费并且整个工程的前期准备工作会变得很长，同时实验的准确性也不尽如人意，从而导致效率大打折扣。发达国家在焊接工程领域已经经历过了这样的阵痛，现在的发达国家如美国、日本、法国他们在焊接领域中实验所占的比重在不断地降低能[46]，而仿真技术得到了长足的支持与发展，仿真技术的成熟意味着焊接工程中的费用降低，同时整个项目的前期准备工作时间也被极大地缩短，实在是焊接的最优解决办法。
1.2 数值模拟国内外研究现状
1.2.1国外研究概况
1962年，焊接仿真模拟技术正式诞生，丹麦人第一次在计算机上使用有限差分的方法来对铸件凝固过程中的传热进行计算。到了1970年,日本的上田幸雄等以有限元的相关理论作为依据,创造性地提出了热弹塑性理论，在该理论中上田幸雄弥补了之前无法将材料力学性能和强度纳入计算的缺陷,该理论的诞生使得分析十分复杂的焊接中的动态应力与应变成为了可能能[7]，同时也意味着一门新学科“计算焊接力学”的产生，对于之后焊接仿真模拟技术的发展奠定了坚实的技术基础。时间轴来到了2000年，一直走在焊接领域前列的日本大阪大学与科学研究所共同合作提出了一个国家课题即高效与安全焊接技术的开发,该计划时间为5年，费用达到了惊人的20亿日元能[8]，在该项目中焊接虚拟仿真工程占据主导的地位，也体现了日本对于该领域的重视。焊接模拟仿真技术发展到现在，国外的软件已经趋于成熟，不仅体现在数量上更体现在质量上，例如已经商业化的大型通用有限元工具软件ABAQUS、Algor、Anina、ANDIA、ANSYS、COSMOS/M、D
第一章 绪论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2 数值模拟国内外研究现状 2
1.2.1国外研究概况 2
1.2.2国内研究概况 2
1.2.3国内外研究存在的问题 3
1.3 研究内容 4
1.4本章小结 5
第二章 焊接工艺仿真理论及方法 6
2.1焊接温度场的模拟 6
2.1.1焊接温度场的概念和表征 6
2.1.2 焊接温度场的基本方程 6
2.2焊接变形的预测方法 8
2.2.1解析法 8
2.2.2热弹塑性有限元法 8
2.3热源模型的影响分析 10
2.3.1热源模型的基本特征 10
2.3.2不同热源模型的影响 11
2.4基于有限元理论的焊接工艺仿真方法 12
2.5基于SYSWELD的焊接仿真实施流程介绍 13
2.5.1模型建立 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> 2.2.1解析法 8
2.2.2热弹塑性有限元法 8
2.3热源模型的影响分析 10
2.3.1热源模型的基本特征 10
2.3.2不同热源模型的影响 11
2.4基于有限元理论的焊接工艺仿真方法 12
2.5基于SYSWELD的焊接仿真实施流程介绍 13
2.5.1模型建立 13
2.5.2网格划分 14
2.5.3提取散热面 15
2.5.4热源的设定 15
2.5.5焊接夹具约束定义 16
2.5.6模型存储 17
2.5.7热冶金和力学性能求解 17
2.6本章小结 19
第三章 典型船体结构焊接工艺仿真及分析 20
3.1典型船舶构件的焊接工艺分析 20
3.2基于SYSELD的Y型对接接头焊接工艺仿真 22
3.3计算结果与分析 23
3.3.1 温度场计算结果 23
3.3.2 应力场及变形计算结果 25
3.4本章小结 27
第四章 焊接工艺参数优化 28
4.1焊接速度优化 28
4.1.1速度对温度场的影响 28
4.1.2速度对残余应力和变形的影响 29
4.2焊件坡口类型优化 31
4.2.1不同坡口对温度场的影响 32
4.2.2不同坡口对残余应力的影响 33
4.3焊件坡口尺寸 34
4.4焊接材料 35
4.5焊丝直径 36
4.6焊接电源种类与极性 37
4.7焊接电流与电弧电压 37
4.8焊接热源选择 38
4.9本章小结 39
结论与展望 40
致谢 41
参考文献 42
第一章 绪论
1.1选题背景和意义
随着海洋的快速开发，与其相配套的水上交通、钻井平台以及国防舰船制造等现代化综合性产业对于船舶工业提出了越来越苛刻的要求，焊接作为船舶制造中最重要的加工手段，是一种通过加热或者加压，或两者共用的主要的金属加工工艺，由于复杂的动态高温和瞬态以及不均匀的加热和冷却过程,很容易导致无法避免的焊接应力变形,最终影响到整个结构的强度、韧性、精度等。焊接水平的高低极大地影响了建造船体的质量和生产效率，焊接过程中可能产生的能量的不均匀、材料的协调非塑性应变以及焊接残余应力的存在使得实际焊接过程中可能会使船体的结构产生各种焊接变形。而焊接变形往往又会导致焊接结构整体或者局部的形状变化，无法保证符合要求的尺寸精度并且承载能力也会被削弱，同时在高强度载荷作用下可能会出现附加弯矩以及应力集中现象，这些情况的出现也会造成船舶的焊接结构丧失本有的功能[12]。
一直以来，人们对于焊接工艺的改进主要依靠平时焊接相关实验数据以及个人经验的分析和总结，始终没有形成一套科学的、有效的方法以及预测焊接变形的手段。近代以来，模拟预测成为了预测焊接整个流程并仿真模拟解决方案的最佳方案。现如今有限元划分的理论在焊接中的应用已十分成熟能[3]，基于有限元理论的商业模拟软件也经历了多个版本的更替，并且这些软件已经在各行各业尤其是焊接行业显示出了极其重要的位置。随着现代制造业的飞速发展，各个行业对于材料的性能和精度都提出了很高的要求，在过去焊接的相关设计只能依赖实验来确定一些具体参数的优化情况，这样一来难免会提高了相关研发的经费并且整个工程的前期准备工作会变得很长，同时实验的准确性也不尽如人意，从而导致效率大打折扣。发达国家在焊接工程领域已经经历过了这样的阵痛，现在的发达国家如美国、日本、法国他们在焊接领域中实验所占的比重在不断地降低能[46]，而仿真技术得到了长足的支持与发展，仿真技术的成熟意味着焊接工程中的费用降低，同时整个项目的前期准备工作时间也被极大地缩短，实在是焊接的最优解决办法。
1.2 数值模拟国内外研究现状
1.2.1国外研究概况
1962年，焊接仿真模拟技术正式诞生，丹麦人第一次在计算机上使用有限差分的方法来对铸件凝固过程中的传热进行计算。到了1970年,日本的上田幸雄等以有限元的相关理论作为依据,创造性地提出了热弹塑性理论，在该理论中上田幸雄弥补了之前无法将材料力学性能和强度纳入计算的缺陷,该理论的诞生使得分析十分复杂的焊接中的动态应力与应变成为了可能能[7]，同时也意味着一门新学科“计算焊接力学”的产生，对于之后焊接仿真模拟技术的发展奠定了坚实的技术基础。时间轴来到了2000年，一直走在焊接领域前列的日本大阪大学与科学研究所共同合作提出了一个国家课题即高效与安全焊接技术的开发,该计划时间为5年，费用达到了惊人的20亿日元能[8]，在该项目中焊接虚拟仿真工程占据主导的地位，也体现了日本对于该领域的重视。焊接模拟仿真技术发展到现在，国外的软件已经趋于成熟，不仅体现在数量上更体现在质量上，例如已经商业化的大型通用有限元工具软件ABAQUS、Algor、Anina、ANDIA、ANSYS、COSMOS/M、D
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