有限元分析技术的船舶大型复杂结构焊接变形力学分析

摘要：在进行船舶的生产制造时，焊接作为主体结构连接手段，必须具备高强度结构、造价相对较低、高安全性、结构灵活等特点。因此最重要的便是焊接工艺。焊接的施工质量直接关系到船舶的使用寿命以及自身强度，在进行焊接时，因为会产生大量的高温，因此会导致结构可能发生弹性或是塑性变形等情况。为了标准化研究船舶大型复杂结构焊接变形，加强焊接质量，本文通过针对有限元分析技术的船舶大型复杂结构焊接技术进行研究，并根据Ansys软件进行构建模型。

关键词：焊接;有限元分析;变形力学分析

中图分类号：U674.7;U671.8 文献标识码：A 文章编号：1672-9129（2020）10-0072-02

以往的在制造钢结构时，通常都是采取铆接工艺以及焊接工艺。其中，铆接工艺主要运用于对于母材打孔，并利用螺栓和螺母加以巩固，这种工艺也使的结构整体强度受到了严重破坏，降低了结构整体的装配精度。而焊机工艺却很好的完善了铆接工艺需要在母材上打孔的缺点，并且焊接工艺的接头强度也相对良好，甚者可以与母材自身的强度相比。因此，对于部分水密性或是气密性较高的结构，通常都是通过焊接工艺进行制造。此外，焊接工艺对于结构自身形状并不会受到过多的影响，不需要特定的模具且性价比更高。在进行船舶的生产和制造时，需要大量的钢材例如：甲板、船舱等，优良的焊接工艺会直接关系到船舶最后的质量以及船舶的使用年限。但由于焊接过程中会造成的大量高温，会导致结构件发生塑性变形和弹性变形，不仅会导致钢结构的尺寸发生误差，还会对钢材自身的刚度带来影响。

1 焊接有限元分析理念的研究

有限元分析理念是将繁琐的大比例有限元计算系统，分解成多个有限个数的子单元，并构建每个子单元之间的物理传递联系，然后通过计算每个子单元得出结果，进而演算出大比例有限元计算系统的结果。由于焊接过程中存在众多的应力、应变以及材料变化等物理问题[1]。只运用传统的计算方式很难达到预期效果。为此，运用有限元分析可以更为准确的计算出焊接过程中可能会出现的物理变化。由于焊接过程中会产生强烈的温度差，所以材料的物理性能也会随时发生变化。本文在采用有限元技术的繁琐结构焊接变形进行分析过程中，将焊接过程设为一个具有非线性特征的传热过程，建立热传导的数学模型如下：

公式中：Po我们设为材料密度;Co设为母材的比热容;σ设为材料的导热系数;Ko设为焊接材料导热的补偿系数。

通过确定焊接过程的上下限标准，我们可以通过构建焊接过程的模型，以此来做到最大程度的准确分析。由于焊接过程十分繁琐，本文在构件焊接过程的数学模型时，主要进行了以下几点操作：

①为了保证焊接过程热力学分析的准确程度，本文在构件焊接结构的有限元模型过程中，运用的是三维有限元单元solid185，solid186，此单元可以更为有效的传递温度、应力、应变等，具有比较真实的模型准确度。

②因为焊接过程具备了明显的非线性特征，所以本文在构件焊接的热源模型时运用的是瞬态模型，并且材料的力学性能会随着温度的变化而变化，这就确保了模拟分析具备了焊接过程的实际情况。

③焊接过程中错产生的高温主要影响应力集中的部分区域，并且该位置的材料金相组织会随着应力的变化而变化[2]。

2 基于有限元分析技术的船舶大型复杂结构焊接变形力学分析

2.1焊接热源模型的设计。一般情况下，船舶的外科、甲板等相对简单的结构通常运用的都是埋弧焊接方式，而相对复杂的结构通常都是运用电弧焊接方式，本文进行研究的便是电弧焊接方式。在进行钢结构的电弧焊接时，焊接的热源主要作用于结构外层，并利用热传导的方式将热量传导给钢材的内部结构，这种热源就是所谓的平面分布热源，通常情况下，平面分布热源主要分为高斯平面热源、椭圆平面热源等。

2.2船体结构件焊接过程的有限元建模及仿真。本文在针对大型复杂船舶结构焊接变形的力学进行研究时，选取的参考目标为钢结构的T型焊接接头，对焊缝位置进行区域性网格优化处理[3]。

3 结语

综上所述，对于船舶结构而言，其焊接质量具备了非常大作用，研究本文的主要目的就是通过有限元分析与计算系统增加船舶复杂结构的焊接质量，从而进一步加强船舶的制造质量。本文通过构建焊接过程的热源模型，鉴于有限元分析软件仿真分析Ansys进行船舶大型复杂结构焊接变形力学分析。

参考文献：

[1]潘廣善，工自力，李良碧，等.高强钢焊接结构残余热应力的有限元分析[J].船舶工程，2011， 33（3）.

[2]施丽娟，崔维成.船舶结构强度有限元分析的质量控制研究综述[J].船舶，2002（5）：31-39.

[3]胡广旭，孟梅，刘冰，等.基于连续瞬态计算模型的焊接残余应力对船体结构强度影响研究（英文）【J】船舶力学，2013}12}：1439-1446

作者简介：徐海航（1999-）男，汉，浙江杭州，本科在读，职称：无，研究方向：焊接工艺。