船舶曲板成型冷热加载方案生成方法及实验验证

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随着国力的发展和远洋贸易需求的提高,我国对船舶的需求逐渐增长,如何快速制造出满足要求的船舶成为各船厂需要解决的问题。船舶通常由曲板焊接而成。现阶段,针对曲板成型这一过程,国内船厂普遍采用的是冷加载结合热加载的成型模式。一般的成型流程是首先利用冷加载装置对板进行初步成型形成简单曲率形状,再在此基础上对板进行局部弯曲或加热以形成所需要的曲率形状。目前,冷加载成型中的三辊弯板成型、多点成型、模压成型以及热加载成型中的火焰加热成型、感应加热成型等方法多基于工人多年积累的经验,成型精度与自动化程度不高,制约了船舶曲板的成型质量与成型效率。随着工人劳动成本的提高,依靠经验积累来达到高精度的成型已不可取,这对船舶曲板自动化成型提出了迫切要求,探求船舶板的自动化成型方法并形成相应成型装备迫在眉睫。
  为实现船舶曲板的自动化成型,本文结合线加热成型和冷滚压成型的优点,提出了一种冷热一体加载的成型方法并研制出相应的成型样机。本方法将感应加热成型与冷滚压成型相结合,实现了船舶曲板的感应加热成型、冷滚压成型和冷热一体加载成型等多种成型方式。与传统方法相比,本文提出的成型方法成本低、成型方式多样,易于实现船舶曲板的自动成型。
  针对所提出的冷热一体加载成型方法,本文设计确定了加载方案和相应的成型系统,研制出成型样机并对样机的成型效果进行了实验。本文首先对船舶曲板的成型机理进行分析,研究了目标形状与应变分布的相关关系,随后对感应加热、冷滚压、冷热一体加载等成型方式的成型原理进行分析,给出相应的有限元计算方法;在有限元方法的准确性得到验证的基础上,基于有限元计算和数据拟合获得了加载时工艺参数与变形后板应变分布的相关关系并形成相应数据作为成型的基础数据;随后本文根据成型过程中的应变分布特征,开发出基于初应力法的虚拟加载方法,将残余塑性应变作为变形源加载至初始板,获得相应的变形形状,并基于感应加热实验对虚拟加载方法的有效性进行验证;随后本文开发了基于应变分布的加工路径生成方法并给出每条加工路径对应的工艺参数,形成相应的加载方案,并给出了典型实船曲板的加载方案;最后本文给出了样机的系统构成和工作流程,对不同加载情况下的变形形状进行实验,验证了所提出的成型方法的有效性,此外,本文对加载方案生成方法进行了实验验证。
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