船体焊接数值模拟理论及施工要点探讨

[摘 要]造船业的发展，一方面靠重大装备的投入，另一方面则是通过优化管理体系，提升管理水平，提高建造效率来实现。本文以生产中的大型多用途船为研究对象，采用基于固有应变预测法对该船货舱双层底分段进行焊接变形的预测。

1.1 固有应变有限元方法

在焊接的过程中，焊接的变形应变由弹性应变、相变应变、塑性应变和热应变组成。

焊接应力与变形是存在一定固有应变条件下构件自动平衡后的自然结果。

1.2 焊接固有应变的确定

焊接变形取决于固有应变的大小和分布，因而是四个确定焊接变形的决定性参数，其中为纵向固有应变的总和，为横向固有应变的总和，为中心到截面中心距离，为的偏心距。对于较复杂的结构，主要影响焊接变形的仍然是纵向固有应变（残余塑变）和横向固有应变（残余塑变）。

该数值也已经得到大量的板条边缘堆焊实验的证实，并得出它的刚性适用范围（）。当超过上述数值时，纵向固有应变总和不再与焊接线能量成正比，需作一定修正（ K 值减小）。因为焊接截面过小，已不能满足解析解的假定边界条件。此时焊接温度场比较均匀，故产生的塑性应变总和也相应减少。不过在实际生产中焊接工件刚性一般都较大，上述情况很少发生。另外，为固有应变中心至构件中心线的距离，作为近似处理可以用焊缝中心来代替固有应变的中心。对于多道焊的情况，可采用类似解析方法处理。

⑴胎架设置：

分段制造胎架为立柱式平胎架，高度为 800mm 左右。P/C/S分段设同一胎架制造，不设反变形。全宽（Y）型分段设反变形 1.5/1000。

胎架支承间距为：纵向（船长方向）为肋距 840mm，横向（船宽方向）为 1000mm。

⑵分段余量设置：

a.分段横向大接头一端为无余量，另一端加放 50mm 切割余量。

b.P/C/S 分段间纵向大接缝为无余量制造，每档纵骨间加放 1.0mm 收补偿量（仅内、外底板）。其中 P/S 分段的内外底板加放 30mm 拼板余量，拼板划线后切割余量。

c.曲型外板企口向上不放余量，透气板处加放装配余量 30mm。

⑶焊接坡口：构件的对接焊坡口（包括型材）在无余量侧零件下料时切出坡口。对于衬垫焊切坡口时要留出 6mm 的间隙。

⑷零件的下料方式：所有板材零件（包括扁钢）均采用数切下料，喷粉划线。

⑸曲型外板的加工：采用活络轧样，艏艉包板采用样箱，肋骨（纵骨）的弯制采用逆直线法。

⑹内底板，平直外底板采用数切后拼板，拼板焊缝采用埋弧自动焊。平面板架的最大宽度不超过 12 米。P/S 分段的拼板余量 30mm。全宽型分段（1C10Y，3H16Y）内底板分左右两块拼板，分别加放拼板余量 10mm及 5mm。拼板划线后切除余量，同时切出焊接坡口。

⑺舭龙骨在分段大接缝处散装一段，余量加放在散装的一端。舭龙骨的安装定位尺寸为外底板的围长尺寸（底板的外缘），以内底板边线为起始点。

⑻集装箱底座加强在分段上装焊妥。

⑼分段焊接要点：

a.构件安装时注意无余量大接头一端的精度（端面的平整度）。

b.为了控制分段的变形，保证内底板的平整度，内底板与胎架的定位焊应足够牢固，施焊时应注意焊接程序，减少变形量。

⑽分段完工后应进行检测。除测量形体尺寸外，还有测量无余量端面的精度及内底板的平整度。特别是对于安装集装箱底脚的多用途货船来说，控制内底的平整度尤为重要。

底部分段是整艘船分段的基础，特别是对于装载集装箱的多用途货船，控制其货舱的长度，宽度尺寸，以及内底板的平整度极为重要。双层底分段除了控制货舱的整体尺寸外，还要控制内底板的平整度，测量点放在集装箱底脚位置处，每一货舱内的不平整度不大于 8mm。在实际建造中，货船双层底分段总组装时，其左、中、右分段要控制以下精度：

总段半宽尺寸偏差10mm

总段四角水平偏差8mm 　

内底板平整度（箱脚处）偏差6mm

为了提高分段的制造精度，在货舱双层底的每一档纵骨间和横舱壁分段的每档扶强材间加放 1.0mm 补偿量，在货舱舷侧分段的每档纵骨间加放 0.5mm 的补偿量。本船分段大接头处的余量设置原则上采用单侧加放切割余量的原则。数量为 50mm 和 30mm。部分板架加放拼板余量 20mm。火工板的四周均加放加工余量 100mm 以上，双层底透气板处加放 30mm 装配余量。余量处理如下：

⑴焊接收缩补偿量不作处理。

⑵切割余量在各施工阶段进行切除，包括拼板余量、分段余量、总组余量和船台合拢余量等。

⑶上下口的 15mm 余量作补偿量处理，合拢时仅作局部修割，以保证层高。

本文基于固有应变原理基础上，通过有限元计算、实测以及现场经验的积累，结合大量的计算和分析，得到了一个基于板厚的计算固有应变简化公式。根据实际装配顺序和胎架结构设置焊接顺序和约束条件，计算其焊接变形。

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