单曲率船体外板电磁感应加热弯曲成型工艺规划.pdf
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1、第 卷第期 年 月造 船 技 术Z a o c h u a nJ i s h uV o l N o O c t,基金项目:江苏省高校协同创新项目“感应加热下船体外板成形工艺的智能系统开发”(编号:H Z )作者简介:李梦(),男,硕士研究生,研究方向为船体曲板建造工艺通信作者:王江超(),男,副教授,研究方向为船舶建造工艺力学及先进数值计算方法文章编号:()D O I:/j i s s n 单曲率船体外板电磁感应加热弯曲成型工艺规划李梦,易斌,王江超,周宏(华中科技大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉 ;江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 )摘要:以 mm厚的船用AH 钢板为研究对象
2、,开展电磁感应加热弯曲成型试验并测量板材的瞬态温度,采用手持式三维扫描仪获取板材点云数据,利用后处理软件得到板材面外弯曲变形云图.基于热弹塑性有限元分析,模拟板材电磁感应加热弯曲成型过程,温度和面外弯曲变形计算结果与测量数据较吻合,验证建立的数值模型的准确性.基于高通量的有限元分析,建立热源移动速度与横向弯曲角度的数学关系.针对单曲率板材,提出内接折线法和外切折线法拟合板材弯曲形状,给出相应的板材加热线位置和热源移动速度等工艺参数,进行热弹塑性有限元分析.计算结果表明,由提出的两种方法得到的面外弯曲变形均与目标曲率板的弯曲形状相吻合,证明内接折线法和外切折线法应用于实际工程的可行性.关键词:单
3、曲率船体外板;电磁感应加热;弯曲成型;工艺规划;有限元分析中图分类号:U 文献标志码:AT e c h n o l o g i c a lP l a n n i n go fB e n d i n gF o r m i n go fS i n g l eC u r v a t u r eH u l lP l a t eb yE l e c t r o m a g n e t i c I n d u c t i o nH e a t i n gL IM e n g Y IB i n WAN GJ i a n g c h a o Z HOU H o n g 敭 S c h o o l o fN a
4、 v a lA r c h i t e c t u r ea n dO c e a nE n g i n e e r i n g H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y W u h a n H u b e i C h i n a 敭 S c h o o l o fN a v a lA r c h i t e c t u r e&O c e a nE n g i n e e r i n g J i a n g s uU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea
5、 n dT e c h n o l o g y Z h e n j i a n g J i a n g s u C h i n a A b s t r a c t T a k e n 敭 mmt h i c km a r i n eAH s t e e l p l a t e a s t h e r e s e a r c ho b j e c t t h eb e n d i n g f o r m i n g t e s ti sc o n d u c t e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i
6、n ga n dt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r eo ft h ep l a t ei sm e a s u r e d 敭T h ep o i n t c l o u dd a t ao f t h ep l a t e i so b t a i n e dw i t hah a n d h e l d Ds c a n n e r a n dt h ec l o u di m a g eo fp l a t eo u t o f p l a n eb e n d i n gd e f o r m a t i o ni so b t a i
7、 n e dw i t ht h ep o s t p r o c e s s i n gs o f t w a r e 敭B a s e do nt h et h e r m a l e l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ep r o c e s so fp l a t eb e n d i n gf o r m i n gb yt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n h e a t i n gi ss i m u l a t
8、 e d 敭 T h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft e m p e r a t u r ea n do u t o f p l a n eb e n d i n gd e f o r m a t i o na r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h em e a s u r e dd a t a a n d t h e a c c u r a c yo f e s t a b l i s h e dn u m e r i c a lm o d e l i s v e r i f i e d 敭 B a s
9、e do n t h eh i g h f l u x f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a ts o u r c em o v i n gv e l o c i t ya n dt r a n s v e r s eb e n d i n ga n g l e i se s t a b l i s h e d 敭 I nv i e wo f t h es i n g l ec u r v a t u r ep
10、l a t e t h e i n s c r i b e dp o l y l i n em e t h o da n dt h ec i r c u m s c r i b e dp o l y l i n em e t h o da r ep r o p o s e dt of i tt h eb e n d i n gs h a p e so ft h ep l a t e a n dt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ss u c ha s t h ep l a t eh e
11、 a t i n gw i r ep o s i t i o na n d t h eh e a t s o u r c em o v i n gv e l o c i t ya r eg i v e n f o r t h e t h e r m a l e l a s t i c p l a s t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 敭T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t o f p l a n eb e n d i n gd e f o r m
12、a t i o n so b t a i n e db yt h et w op r o p o s e dm e t h o d sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h eb e n d i n gs h a p eo ft a r g e tc u r v a t u r ep l a t e w h i c hp r o v e st h e a p p l i c a t i o n f e a s i b i l i t y o f i n s c r i b e d p o l y l i n e m e t h o d a n d c i r c
13、u m s c r i b e d p o l y l i n e m e t h o d i np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g 敭K e yw o r d s s i n g l ec u r v a t u r eh u l lp l a t e e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t i o nh e a t i n g b e n d i n gf o r m i n g t e c h n o l o g i c a lp l a n n i n g f i n i t ee l e m e
14、n t a n a l y s i s0 0引言在船舶建造过程中,板材曲面成型加工是重要环节,影响船舶建造精度和生产效率.目前,船体外板曲面成型加工工艺主要是水火弯板,采用氧乙炔将板材局部加热至红热状态后立即浇水冷却,令板材局部产生收缩变形,形成所需的曲面.随着高技术船舶的大力发展,仅凭人工操作无法实现复杂的成型过程,无论在速度上还是质量上都难以满足现代造船生产的实际需求.电磁感应加热直接利用涡流使板材内部生热,具有加热效率高、环境污染小、便于自动化控制等优点,在船体曲板成型加工方面具有非常广阔的应用潜力.基于电磁感应加热的板材弯曲成型工艺,近年来出现不少相关模型及计算方法.L E E等针对S
15、 S 厚板进行电磁热结构耦合分析,研究电磁感应加热参数对温度分布的影响.王哲宇等采用支持向量的特征消除算法,建立收缩量和角变形的神经网络预报模型,并与A n s y s软件的仿真结果进行对比,结果较为吻合.张雪彪等基于A n s y s软件建立钢板移动式感应加热的多场耦合数值模型,分析板材线加热过程中的温度场和变形场分布.M I T S UYUK I等提出曲率误差评估方法,即应用曲率误差的积分值确定加热线位置,开发一种可使工人在不使用样板的情况下,将船体外板加工成所需的曲面形状的系统,可为船厂在实际曲面成型过程中提供满意的决策指导.易斌等针对典型船体外板曲面(马鞍形和帆形)提出曲面重构方法,可
16、以准确显示曲率板的几何特征,并且比较在预测板材感应加热作用下的面外弯曲变形方面,热弹塑性有限元分析方法和基于固有应变理论的弹性有限元分析方法的优势.上述文献从不同角度研究板材面外弯曲成型工艺,相关方法较为复杂.针对 mm厚的AH 船用钢进行电磁感应加热弯曲成型试验,通过无线静态应变仪测量板材的瞬态温度,在试验结束后通过三维扫描仪获得板材点云数据,通过后处理软件得到板材的面外弯曲变形分布.建立试验板材的有限元模型,通过热弹塑性有限元分析,将温度和面外弯曲变形的计算结果与测量数据进行对比,对比结果吻合较好,验证建立的数值模型的准确性.采用高通量的有限元计算,通过回归分析建立热源移动速度与横向弯曲角
17、度的数学表达式.提出内接折线法和外切折线法作为单曲率板材面外弯曲成型工艺的依据,针对目标单曲率板材,规划各加热线位置及其热源移动速度,并通过热弹塑性有限元计算进行验证.1 1研究理论与方法 电磁感应加热及其弯曲成型原理电磁感应加热通过电场与磁场相互转化,使金属这类导电又导磁的物体达到内部生热的效果.具体过程:交变电流通过感应线圈转换成交变磁场,磁场中的金属板材表面产生涡流;涡流促使金属内部原子进行高速无规则运动,在板材内部产生大量热.板材内部存在磁滞损耗,会产生一定热量.板材在两者共同作用下仅需数秒便可急剧升温.电磁感应加热弯曲成型工艺是一种利用金属热胀冷缩特性的非接触式的局部加热成型技术.在
18、加热过程中,板材表面因电磁感应生热,温度迅速升高,其余部分以传热的形式吸收热量,使板材上下表面存在温差,产生不均匀的热应力,在加热线附近金属的约束下,产生压缩塑性应变.在冷却过程中,板材产生的拉伸塑性应变抵消一部分在加热过程中产生的压缩塑性应变,剩下的压缩塑性应变沿厚度方向呈现梯度分布特征,产生弯曲力矩,使板材发生面外弯曲变形,如式()所示.dMtzhdFzhEpdA()式中:F和Mt分别为力和力矩;z为压缩塑性应变沿厚度方向的坐标;h为板厚;E为材料的弹性模量;p为压缩塑性应变;A为板材横截面积.热弹塑性有限元分析采用热弹塑性有限元分析方法研究板材电磁感应加热弯曲成型过程中的热力学响应,主要
19、包括瞬态热分析和力学分析两个过程,其中,力学分析结果对瞬态热分析结果的影响显著小于瞬态热分析结果对力学分析结果的影响,因此在计算过程中采用热力学响应的顺序耦合分析,即只考虑瞬态热分析结果对力学分析结果的影响.根据热边界造 船 技 术第 卷第期条件和材料的热性能参数(传热系数、质量热容、密度等),对传热控制方程进行求解分析,获得板材电磁感应加热弯曲成型过程中的瞬态温度场.将瞬态温度场结果作为热载荷施加到力学响应分析中,并考虑力学边界条件和材料的力学性能参数(弹性模量、泊松比、屈服强度、线膨胀系数等),计算得到板材电磁感应加热弯曲成型过程中的变形场,获得板材的面外变形、应力应变等情况.单曲率板材曲
20、面成型方法在曲板成型的实际加工过程中,常采用折线逼近曲线,难点在于如何选取一系列弯曲点,使其组成的折线既能满足精度要求,又能避免资源浪费.针对板材面外弯曲变形,采用折线法逼近目标曲线,用尽可能少的加热次数使板材达到预定的精度要求;根据弯曲处的横向弯曲角度,确定板材加热线位置及相关工艺参数.取垂直于加热线的横截面作为研究对象,设横截面的长度为L,加热线位置为xi,目标曲率板的数学表达式为f(x),其中,x为板宽方向坐标,考虑板材是小弯曲变形.采用折线法逼近目标曲线通常有两种拟合方法:内接折线法与外切折线法.内接折线法当目标曲率板的数学表达式f(x)为凹函数曲线(切线斜率单调递增)时,内接折线法采
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