船體曲面鋼板完全線加熱成形研究.pdf

1、目前造船業(yè)中普遍采用的船體曲面鋼板成形的典型工藝是水火彎板，國外也稱作線加熱(lineheating)。傳統(tǒng)的成形方法分兩個階段進(jìn)行：鋼板先在輥彎機(jī)床上進(jìn)行沿鋼板短邊方向的輥彎成形，形成橫向彎曲變形，而后把鋼板運(yùn)到水火彎板工位進(jìn)行水火加工，出現(xiàn)沿長邊方向的縱向彎曲變形，使鋼板成形為設(shè)計(jì)要求的三維曲面形狀。這樣兩階段的不同成形手段的成形過程不適合船體板成形的自動化，而且兩階段的成形過程都需要經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)熟練的造船工人來完成，由于板材的回

2、彈特性，使板材在輥彎過程中的過彎量不容易掌握。 基于上述問題，本文主要研究取消機(jī)械輥彎的完全線加熱方式把平板成形為三維曲面板的過程設(shè)計(jì)方法。完全線加熱的成形方式既可以實(shí)現(xiàn)鋼板彎曲成形的自動化，而且能夠避免上述問題，提高加工質(zhì)量。 本文的研究目的是要開發(fā)一個船體曲面鋼板完全線加熱成形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。為此，本文提出了一個船體板成形的設(shè)計(jì)方法，即利用曲率分析方法改變船體板兩階段的成形為完全線加熱成形過程。首先，船體板用B樣條曲面進(jìn)行

3、數(shù)學(xué)表達(dá)，而后計(jì)算曲面的主曲率，按照等彎曲角變形的思想布置彎曲加熱線，并根據(jù)工藝參數(shù)和變形的關(guān)系數(shù)據(jù)給出適當(dāng)?shù)牡葟澢冃瘟?；這樣，通過水火彎板過程使船體板獲得橫向的彎曲成形；下一步，沿鋼板的長度方向在板邊或板中再進(jìn)行收縮的線加熱成形，得到所要成形的帆形曲面鋼板或鞍形曲面鋼板。這樣就實(shí)現(xiàn)了完全線加熱成形的全過程。 本文開發(fā)了一個非線性瞬態(tài)間接耦合的熱—結(jié)構(gòu)分析的三維有限元模擬模型，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量值一致。在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)

4、上，提出了綜合反映熱源參數(shù)的體功率模型；并且嘗試把這個復(fù)合變量作為水火彎板工藝參數(shù)和變形關(guān)系的自變量。通過數(shù)值模擬分析了水火彎板影響參數(shù)對于變形的影響關(guān)系，總結(jié)出橫向彎曲成形的主要影響參數(shù)是燃?xì)饬髁?、熱源速度和鋼板尺寸，縱向收縮成形的主要影響參數(shù)是燃?xì)饬髁?、熱源速度和加熱線長度?；趨?shù)研究結(jié)果，通過合理的數(shù)值模擬試驗(yàn)獲得兩種線加熱成形的工藝數(shù)據(jù)，從而省去大量的實(shí)驗(yàn)測試工作。 在獲得大量工藝參數(shù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立水火彎板加工過程

5、中工藝參數(shù)與變形之間的數(shù)學(xué)模型，是水火彎板研究的核心內(nèi)容。水火彎板過程機(jī)理復(fù)雜，有很多因素影響最后的殘余變形，而且影響關(guān)系是非線性的，在形成水火彎板數(shù)學(xué)模型時(shí)，若各個影響參數(shù)獨(dú)立參與建模，則需要建立系列的數(shù)學(xué)模型。因此，采用熱源的體功率作為水火彎板回歸公式中的自變量，可以涵蓋多種燃?xì)饬髁?、系列板厚條件下的水火加工成形。然后，根據(jù)這些加熱參數(shù)數(shù)據(jù)，可以給出適合的加熱線布置和相應(yīng)的變形量，并且確定具體的加熱參數(shù)。這樣就開發(fā)成功了一個船體曲面

6、鋼板全線加熱成形設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 最后，本文對平板橫向彎曲成形中角變形的工藝參數(shù)數(shù)學(xué)模型的可用性進(jìn)行了小板實(shí)驗(yàn)，加熱后的角變形測量結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合，把測量的角變形量作為已知量，利用角變形的數(shù)學(xué)回歸方程反求熱源速度，計(jì)算出的熱源速度與實(shí)際加熱時(shí)的熱源速度值之間的相對誤差為5.4﹪，表明計(jì)算出的熱源速度是滿足設(shè)計(jì)要求的。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也說明一定厚度的平板在水火加工過程中的角變形是有一定范圍的，對于其它板厚的鋼板，這個角變形范圍可以通