造船工艺力学研究进展

1、造船工艺力学研究进展129210008 范 紫 岩摘要研究船舶制造工艺力学具有重要的工程实际意义。本文介绍了近年来造船工艺力学在船舶制造成形、装配等加工工艺方面的研究进展，列举了国内外学者在船体钢材冷弯成形机理、水火弯板热弹塑性分析、船体焊接变形和残余应力控制等相关领域的研究成果，介绍了国内学者围绕船舶下水工艺力学开展的各项研究工作，最后对今后造船工艺力学领域的研究提出了展望。关键词：造船工艺力学；成形JjT；装配J3nI；船舶下水O前言船舶制造工艺力学就是船舶制造中的应用力学。概括地讲，船舶制造工艺力学的研究对象包含两个方面：一是制造过程中由各种制造载荷引起的发生在船体及其构件中的力学行为，

2、二是制造过程中力学行为引起的船体内部残余变形及残余应力对船舶制造质量的影响。船舶制造过程中遇到的力学问题具有综合性和复杂性的特点。综合性：所研究的对象很少有单一的一种力学问题，经常是多种力学问题的综合。有时既有固体力学问题，又有流体力学和流固耦合问题，如船舶下水中的力学问题就是这样。在固体力学问题中，有弹性问题，如吊装中的力学计算；有弹塑性问题，如冷加工中的力学问题；有热弹塑性问题，如板材及型材的水火加工中的力学问题；有断裂力学问题，如切割中的力学问题。因此，研究船舶制造工艺力学需要具备较全面的力学基础知识和综合性的研究思路。复杂性：船体建造的环境较为恶劣，船体建造中的载荷极为复杂，力学问题本

3、身又是综合的，使得船舶制造工艺力学问题的求解非常复杂，模型的建立有很大困难，难以准确描述所遇到的问题，解法也较困难。应用有限元法求解也存在载荷和边界条件不易确定的困难。造船工艺力学是为解决船体建造中的力学问题而开展研究的：有着清楚的应用目标，研究结果有明确的衡量标准。因此，研究船舶制造工艺力学主要不是力学理论研究，而是以力学理论为依据，研究造船工艺中的力学问题，理解造船过程中的力学行为，实现提高造船水平的目的。近年来，船舶制造工艺力学的相关研究主要集中在以下几个方面：(1)钢料成型加工工艺方面：主要包括激光切割过程温度场分析和数值模拟研究，冷弯加工中板材、型材和管材塑性变形过程的力学特性研究，

4、以及应用水火弯板工艺进行船体曲面钢板成型加工的热弹塑性分析研究等内容；(2)船体装配加工工艺方面：主要包括焊接应力与变形的数值分析研究、低应力无变形焊接技术的开发以及焊接接头断裂力学研究等内容；(3)船舶下水工艺力学方面：主要包括下水过程的水动力特性研究、纵向下水系统(船体、滑道、船台)的动力学分析计算以及弹性下水的有限元数值模拟关键技术研究等内容。本文对近年来船舶制造工艺力学研究领域的相关文献进行了整理，介绍了船舶制造工艺力学在船舶制造成形、装配等加工工艺方面的国内外研究进展，介绍了国内学者围绕船舶下水工艺力学开展的各项研究工作，并对未来的研究工作提出了展望。1船体钢料成形加工工艺方面11切

5、割加工工艺切割过程是一个复杂的热加工过程，涉及到材料和切割气体之间的复杂作用，是一个高度非线性的过程。对于这一过程的描述，国内外学者主要采用了解析法和数值模拟两种方法，对各种切割方法的温度场和变形场进行计算模拟，对切割过程的主要参数进行优化。(1)切割过程的解析模型目前，研究提出的切割过程解析模型主要列出了能量平衡、质量平衡和动量平衡方程，研究了温度场和最大切割速度等问题。DEspinal和MHsu研究了厚板氧助激光切割的热化学模型1；Gross建立的激光切割数学模型时指出，金属融化过热传递是一个复杂过程，需要考虑对流、蒸发和辐射等热传递过程邓德圣研究了散焦高斯分布C02激光及金属氧化燃烧反应

6、双热源作用下工件的温度场，推到计算出温度场解析计算公式在国内，杜汉斌等人研究激光切割热传导损失数值计算方法，建立了热切割过程模型，通过求解切割前沿的能量平衡方程，找到了切割过程中热传导损失及热影响区宽度与切割工艺参数之间的数学关系(2)切割过程的数值模拟数值模拟是以离散数学为基础，以计算机为工具的建模方法。它的理论不如解析法严密，但对实际问题有很大的适应性。Kim等人基于稳态热传递方程建立的有限元数值模型，可以分析匀速蒸发激光切割工艺，得到切割凹槽和温度分布，并将结果与半解析方法进行了比较；邓德圣用有限元软件ANSYS对激光热源作用下工件的表面温度场进行了数值模拟r71。在国内，许国良等分析了

7、双光束C02激光切割技术较大热应力产生的区域，建立了运动坐标系下的双光束C02激光切割过程传热数学模型，并对单、双光束激光的切割过程进行热应力数值模拟，计算结果表明，采用双光束C02激光切割方法使热影响区域的温度场更加均匀，温度梯度减小，应力减小，可以有效地避免不可控裂纹的产生。(3)切割过程的参数优化EDGAR T F研究用遗传算法优化网络结构来研究激光切割参数优化问题，为激光切割神经网络模型的建立提供了理论基础111；许云针对激光切割过程中的主要参数，切割速度，版材厚度，辅助气压的大小以及激光器功率的选择，建立了一个基于遗传算法的人工神经网络结构，解决了激光切割过程中选参难的问题【121；

8、范彦红等人针对激光切割过程中的主要参数的选取，利用正交实验法对激光切割的工艺参数进行优化，以达到较好的切割效果，实验结果表明，该方法克服了激光切割过程中各个参数相互匹配不当从而影响切割质量及切割效率的困难，从而解决了激光切割过程中难以选择参数的问题u引。从以上研究可知，目前国内外切割加工工艺研究主要集中在激光切割，通过研究温度场的分布情况来进切割工艺。在激光切割技术应用方面，吴毅雄等对气体激光切割的优势以及船舶建造切割技术的发展趋势进行了探讨，指出激光切割工艺是船舶结构焊接前船板备料的理想手段，顺应了船舶制造技术发展的需要，并且，德国、日本、韩国等船厂已有激光切割的应用实例。12冷弯加工工艺船

9、舶制造过程中的冷弯加工形式十分常见，冷弯是指在常温状态下，采用某种机械方法将热轧或冷轧板材的横截面加工成所需断面形状和尺寸的型材。按其加工成型方式分为：弯折成型、拉拔成型、冲压成型(压力机加工)和辊式冷弯成型(辊弯机或肋骨冷弯机的加工)等。虽然加工方式不同，但加工时的塑性变形机理是相同的。板材、型材和管材的冷弯加工是塑性变形过程，在冷弯成型加工过程中的变形包括纵向拉伸、纵向弯曲、横向弯曲、横向剪切等弹性、弹塑性及塑性等变形。因此可以运用塑性理论对冷弯加工进行解析，求取弯曲加工时板材或型材内产生的应力、应变和所需外力矩等。围绕钢材冷弯加工中出现的工艺力学问题，已经出版了很多相关书籍和文献，主要集

10、中在塑性加工、金属压力加工、板料冲压加工等方面的研究，国内这方面的研究主要集中在武汉理工大学茅云升、王呈方等¨，从上世纪70年代开始进行船舶管材及船体构件成型加工开展研究，用弹塑性理论来解析船体构件冷弯加工时存在的力学现象，较好地解决了实际中的突出问题。此外，昆明理工大学的李春霞以冷弯成型机理为主线，从板带的力学分析人手，以有限元分析为方法，对冷弯成型过程中的板带展开研究，指出了冷弯型钢的应用及特点，并对冷弯成型力学基本理论、冷弯成型有限元分析和实验研究现状作了详尽的叙述给出了板带在成型过程中的力学模型，并分析了在冷弯成型过程中板带的变形、应力应变变化规律和回弹效应，模拟出了在成型过

11、程中，板带的变形规律。近年来先进高强度钢得到了越来越广泛的应用，由于该材料具有很高的硬化率，使其成型过程较常用的低碳钢增加了难度，特别是成型回弹的控制问题，回弹对成型产品的尺寸、形状精度有大的影响。刘成等利用有限元软件ABAQUS对先进高强度钢的辊夸成型进行了数值模拟。采用混合硬化弹塑性本构关系，提出了基于弹性张量的应力补偿更新算法，引入等向强化系数，给出了有限元计算的步骤，提出了高强度钢回弹问题的新算法圆。赵永娟等利用ANSYS软件LSDYNA模块对槽钢辊弯成型进行了三维有限元数值模拟分析，得出了槽钢在成形过程中各道次变形区应力、应变的分布规律，同时对在不同成型道次的板坯应力、应变分布情况进

12、行了对比，并对不同道次关键点进行位移、等效应力和等效应变时间历程曲线进行分析，探讨了槽钢辊弯成型过程回弹现象雎11。冷弯残余应力的存在使得结构在承受荷载后残余应力与荷载作用应力叠加，影响结构的性能。胡喜来等采用电化学腐蚀的方法从切割具的制造，腐蚀液的配比，保护层的选材和制作工艺做了探索，根据板材成型的特点，将成型过程分为弯曲和回弹，用弹塑性理论分析弯曲过程，用圆弹弯矩作用的弧梁来分析回弹过程，将两种过程产生的应力叠加，得到冷弯成型过程中的残余应力。13曲面外板水火)JO T成型工艺在水火加工研究方面，主要是采用数值模拟和实验的方法，对水火弯板过程中的温度场和变形场进行分析，研究其中的力学问题，

13、从而确定水火弯板过程中的影响因素和变形之间的关系，在此基础上，对水火弯板工艺参数进行预报。近几年此方面的研究主要集中在日韩和中国。日本九州工业大学的Tterasaki，Mmizukami，MNakatani等团强过实验和计算，建立了一种应用有限元分析(FEM)-角形加热所产生横向收缩量的估算方法，通过对三角形加热的数值模拟，论述了横向曲率半径、水冷和加热长度等水火弯板因素的影响。韩国Hanjin重工业有限责任公司SISeo，YHYang，CDJang241定义了一种新单元线加热单元，该单元假定具有正交各项异性的材料性质，收缩力和收缩力矩是由因局部加热和冷却形成的内部应变的积分得到的，等效节点力

14、则由基于内部应变区的收缩力和收缩力矩的能量原理计算得到，从而提出了一种使用线加热单元的有限元分析方法来模拟板在线加热之后的变化形状，使用线加热单元的计算结果与使用商业有限元程序得到的结果基本一致。韩国学者KJSon，JOYun，YWKim和YSYang25引入了特征应变这一概念综合考虑水火加工成型过程中的各参数，对水火加工过程中的角变形进行了分析研究。印度的PBiswas等1等人利用三维有限元对水火加工成型过程中的瞬态热过程和残余变形进行了分析研究，并得到了单一加热线的计算模型，这种模式将进一步扩展得到多模式多加热线的变形预测模型。国内水火弯板研究是从20世纪80年代初开始的。哈尔滨工业大学、

15、上海交通大学、大连理工大学都相继开展了研究工作。上世纪90年代，大连理工大学和大连新船重工有限责任公司合作，把水火弯板研究向前推进了一大步，在实验、理论和应用几个方面都取得了显著成果。主要是：计算分析了水火弯板瞬间温度场；提出了可以计算局部收缩量的船体曲面外板展开方法，并研制开发了船厂可以使用的计算程序；通过大量实船板的实验测试，建立了比较准确的加工参数数学模型；提出了水火弯板工艺参数的优化设计方法；研制开发了水火弯板工艺参数自动预报软件系统，并在大连新船重工有限责任公司投产使用。近几年来水火加工技术也更加成熟，上海交通大学的董大栓27-29，柳存根，谭家华等人在分析了角变形、线变形描述法和位

16、移场描述法的基础上，提出了水火弯板变形的整体描述法，通过实验与计算相结合的方法确定了水火弯板常用乙炔流量范围内热效率及热源半径与乙炔流量间的关系，确定了水火弯板计算中高斯分布热源模型各参数，在此基础上，进行了水火弯板温度场中相似性规律的研究，认为在加热线垂直于板边且从板边开始加热的条件下，在垂直于板厚方向的各截面上的温度分布具有相似性，在同一截面上垂直于加热线方向的各直线上的温度分布具有相似性。武汉船舶技术学院的韩华口叫也根据传热学理论，运用Ansys有限元分析软件，对水火弯板的温度场进行了数值模拟，并给出了水火弯板数值分析的边界条件，数值模拟的结果反映了水火弯板温度场分布的基本规律。大连理工

17、大学的刘玉君、郭培军¨等人以水火弯板实验数据为基础，应用向量映射、平面投影、坐标转换方法， 建立了水火弯板加工参数与变形参数关系的曲线族(水火弯板变形规律图谱)，并应用BP神经网络方法对图谱进行修正。经实船板加工实验验证，该图谱能够较准确地提供水火弯板加工工艺参数预报所需信息。张雪彪列等人对船体曲面钢板完全线加热成形工艺给出了加工参数的理论计算方法，并且开发了相应的计算程序，从而形成了船体钢板完全线加热面成形工艺设计系统，通过影响参数分析，总结出横向弯曲成形的主要影响参数是燃气流量、热源速度和钢板尺寸，纵向成形时的主要影响参数是燃气流量、热源速度和加热线长度并进行了水火弯板局部变形预

18、测建模方法比较。汪骥等人利用板的自重达到最终成形，或者合理地利用板自重产生一定的形状，尽可能地接近目标曲面，在此形状的基础上由线加热完成剩下的变形，提高加工效率。用实验的方法确定了水火加工成型热源的热输入模型，给出了空气对流换热系数和辐射对流换热系数的计算方法，应用流动沸腾理论，建立了符合工程实际特点的较为准确的水冷对流换热边界条件，大幅度提高了水火弯板数值模拟分析温度场和变形场的精度36-39；开发了鞍形板水加工工艺参数预报系统m1；在对大型曲面钢板水火成形局部变形规律研究和水火弯板数学模型的基础上，利用钢板成形自动检测的结果，提出了未成形钢板的自动化修正加工方法，能够分别预报适合于自动化加

19、工的钢板纵向形状和横向形状修正的工艺参数2 船舶装配加工工艺方面21焊接压应力引起的薄板结构屈曲变形如前所述，由于目前船用板材普遍选用厚度很小(_<6mm)的薄钢板，构件的稳定性随之降低，由焊接压缩残余应力引起的薄板构件屈曲变形已成为船体变形中的主要问题，国内外学者针对这一现象进行了大量研究：美国的NGSS公司的TDHuang等人对轻体船分段焊接装配时的残余应力与变形问题进行了大量的研究。重点分析了薄板屈曲变形规律，总结出焊接在远离焊缝处产生的纵向压应力是导致屈曲变形的根源，并描述了板架结构焊接残余应力分布情况，提出多种变形与应力控制技术431。SMKelly等人比较了激光电弧复合焊、激

20、光焊以及气体保护金属极电弧焊所产生的焊接变形，并总结出降低焊接热输入是控制薄板焊接变形的关键441。Yang等人研究了用于抵消焊接残余应力、减轻屈曲变形的瞬态热拉伸法(Transient ThermalTensioning)，通过对开孔甲板分段、振荡甲板分段的有限元建模以及屈曲特征值计算，分析了该方法利用残余应力场叠加作用来抵消残余应力以及减小屈曲变形的效果闱。Jung等人采用特征值与弹性大变形法分析了船体加筋甲板的屈曲变形行为，比较了瞬态热拉伸工艺对薄板屈曲特征值的影响，以及不同装配顺序下的结构变形。22船体构件内初始残余应力的影响目前，针对船体焊接残余应力有一热点问题正逐步升温：研究者们正

21、渐渐意识到焊前工艺(热切割、弯曲成型等)所产生的初始残余应力对焊接过程的影响，并且这种影响对焊接残余应力的分布与最终变形有不可忽略的作用，这也是一直以来制约残余应力与变形数值仿真精度的一大障碍。McPherson在其一篇关于船体薄板变形的综述中提到471：目前为控制薄板变形所采取的工艺措施与有限元模拟，其中有一个关键因素被忽略，即在焊接之前材料内部积累的初始残余应力的影响。如果该影响因素得到适当量化，将很可能对变形过程的研究与有限元模拟技术起到重要的推进作用。国内外其它学者也在该问题上做了如下研究：VDattoma等人对平板对接焊后进行横向切割的工艺过程建立有限元模型，研究了残余应力在该过程中

22、的演变规律。并得出以下结论：焊接构件经过横向切割后，焊缝处最大纵向拉应力区向邻近区域转移，其它区域纵向残余应力得到部分释放，但分布情况不变；横向残余应力的峰值因切割加工而增大，且沿焊缝分布不再对称。EDong等人针对船用钢板轧制后进行切割成形过程中的残余应力问题进行了研究，重分析了钢板辊轧时生成的残余应力在切割过程中被释放所引起的钢板变形，并通过数值分析得到钢板切割后残余应力的典型分布形式阳。DCamilleri等人用简化的有限元法计算了布有多道加强筋的板架结构的残余应力与变形。着重研究不同装配顺序下叠加残余力场、变形场的变化过程，分析相临两道焊缝产生的残余应力场的相互作用黜5¨。D

23、ean Deng等人为研究不同工艺产生的残余应力的相互影响，对管道模型实施预热处理并不均匀冷却以产生初始残余应力，分析了该初始应力场对随后的激光束缝焊产生的残余应力场的作用，并发现该初始应力场在焊接残余塑变区内影响较小，但在该区域以外影响极大，并可导致额外的边缘变形与稳定性下降。2. 3新材料、新焊接方法中的残余应力与变形问题为了减轻船体的重量，一些新型材料正逐步得到应用以取代低碳钢，其中主要包括：钛合金、铝合金2蚓、不锈钢15习、超高强度钢碉等。另外，由于传统的电弧焊在焊接速度等性能方面已无法满足船舶生产需求，各种新型焊接方法应运而生，其中主要包括：激光焊防591、电子束焊60,61摩擦焊6

24、2-641，以及激光电弧焊等使用复合能源的焊接法。以上这些新材料、新焊接方法在应用的同时，也带来新的焊接残余应力与变形问题。因此，新材料与新焊接法中的残余应力与变形问题已成为当下一个重点研究方向。3船舶下水方面船舶下水的静力学计算，早已有公认的方法，是假定船舶为刚体，并且不考虑速度及加速度影响的情况下进行计算的，这些假定与实际的不符和往往给下水安全带来很大问题。船舶下水实质是一个固体和流体偶合作用的过程，可认为是结构物入水问题，流固耦合作用的本身就使得相应的分析变得更加复杂，加上船舶是个外形复杂的巨大结构物以及下水附体的存在，使得在下水计算过程中一些边界条件和运动参数的确定十分困难。试验研究应

25、该是解决类似问题的有效手段，但缩小比例的模型试验在推广到原型时也未必能完全解决问题。上述的各种因素造成船舶纵向下水的水动力计算只有采用不同程度的近似，以期较为客观地反映船舶下水过程。鉴于传统的船舶下水的静力学计算方法的局限性，近年来国内外不少研究和生产单位的学者对船舶下水的安全性进行了研究，采取的主要做法是：考虑船体下水过程中所受的水动力，将船舶视为弹性变断面梁，墩木视为船底的弹性支持，引入弹性下水计算模型，采用有限元方法对有关结构变形进行计算。船舶下水的动力学是指考虑船舶下水的整个过程中的速度、加速度以及船舶水下形状等参数，同样将船舶的下水过程分为四个阶段，对每个阶段船舶的受力的情况进行分析

26、。水动力计算经验公式都是通过大量的下水试验总结得来，具有较高的准确性mJ。近年来由于有限元技术的普遍应用，利用三维有限元数值模拟方法，能够考虑船舶下水过程中的惯性力、水动力以及船体形状对下水过程的影响，计算出船舶下水过程中的瞬时速度、加速度以及受力等。因此三维有限元数值模拟方法相对准确，可用于下水过程的详细计算。利用三维有限元法，对下水过程进行数值模拟，考虑船舶下水的惯性力、阻力以及船体水下形状等因素。不仅能够准确的预报船舶在下水过程中的受力情况，而且能够直观准确的判断船舶的尾浮和全浮，以及对应的下水过程中瞬时速度、加速度及浮态等M6。此外，近年来气囊下水技术得到了越来越广泛的应用，朱珉虎、孙

27、菊香【6瑚1等人也对气囊纵向下水中的力学问题进行了研究。4其他方面41船体外板自重成形工艺关于船体外板自重成型的研究，国外开展较早。特别是日本，在上世纪60年代中期，已经应用有限元法对矩形板的弹塑性压缩纵向弯曲进行了研究。到70年代中期，又利用Rits法和有限元法研究了外板在自重作用下的弯曲，得出了不需加工外板能自重成型的范围，并应用于28万吨级实船上，自重成型外板占全部外板总量的8P01。国内外对船体外板在自重作用下弯曲成型的研究主要都是基于线弹性理论。戴寅生应用有限元法及李兹法，分别对船体外板的展平板及具有横向曲度的板在自重作用下引起的变形进行计算，研究船体外板自重成型的预报。刘玉君等应用有限元法对平板在自重作用下引起的变形进行了计算，并对响外板横向及纵向曲率的外板几何尺寸进行了多元线性回归，获得外板白重成型的横向及纵向最大曲率公式，外板展开计算后，利用该公式就可以判断该板是否需要弯曲加工。42上层建筑整体吊装工艺船舶上层建筑