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摘要：本文通过对加筋板结构焊接变形规律展开分析研究，为加强计算效率，运用Shell/Solid模型构建结构有限元模型，使焊接阶段数模模拟得以实现。对双边连续进行焊接，并对加强筋构造为T形的接头两侧进行顺序以及同步焊接操作，并对焊接变形以及参与应力进行计算比较。结果证明：T形的接头两侧同步焊接出现焊接变形非常小，且变形具有一定的对称性。
关键词：加筋板；连续焊接；焊接变形
前言：焊接工艺在船舶与海洋结构物设计制造阶段得到广泛运用，焊接质量的优良对船体制造质量与效率产生重大影响。焊接阶段，焊缝位置的部分加热与冷却导致焊件受热不平均，引起结构残余发生形变。而合理运用焊接工艺可以有效降低残余形变，提升焊接质量。本文通过对船舶生产制造阶段典型代表性的加筋板结构焊接变形规律展开分析研究，为加强计算效率，运用Shell/Solid模型构建结构有限元模型，对加强筋构造为T形的接头两侧进行顺序以及同步焊接操作，并对焊接变形以及参与应力进行计算比较。
一、分析模型
（一）研究内容
本文以船体结构中具有典型代表的加筋板为主要研究对象。加筋板经外板以及横纵向分别设置5根与2根加强筋构成，具体尺寸详见表1。
表1加筋板尺寸
其中，纵向加强筋应进行等距设置，且按外板宽度相同方向，间距为480mm；横向加强筋间距为960mm；焊接采用气体为二氧化碳进行保护焊，模拟选取纵向加强筋焊接。
针对焊接纵向加强筋，本文对T形接头左侧以及右侧焊缝进行顺序以及同步焊接进行模拟，对焊接变形与残余应力具体规律以及特点进行研究。顺序焊接时，针对加强筋左右焊缝，焊接顺序为由左至右；同步焊接时；针对加强筋左右焊缝，需同步进行焊接。焊接参数见表2。
表2焊接参数
（二）
（三）计算模型
加筋板结构的有限元模型构建是基于Shell/Solid模型。热传导具体分析以及计算模型中，船体板以及加强筋基于Shell单元构建。Shell单元按厚度相同方向布置5个积分点，对温度梯度顺板厚方向的具体分布情况进行精确描述。引力场计算时，结构有限元模型具体尺寸以及网格详细划分应与温度场中对应模型维持相同，船体板以及加强筋基于Shell单元构建[1]。
焊接模拟阶段，移动热源对焊缝以及相邻区域造成温度梯度的相应变化，其他区域受影响较小，在温度场计算时可不考虑。温度场计算，若运用全部板架模型展开计算，求解相对复杂。为提升计算效率，运用子结构方法。将加筋板结构具体细分为5个子结构，子结构包括加强筋与相邻区域。目前加强筋进行焊接仅对子结构温度场模型进行计算。
结构分析模型运用相对全面的加筋板结构模型，模型对应侧横向边缘中部运用z向约束，另一对应侧两端运用y，z向约束以及x，y，z向约束。分析中，运用移动热源进行模拟焊接时，热输入主要分两部分：第一，由焊弧转至熔池表面，对高斯分布面存在热源进行模拟，并置于焊脚与母材相交位置，占比热量输入总量的40%；第二，由融滴转至熔池内部，对均匀分布体存在热源进行模拟，置于焊脚上，占比数量输入总量的60%。高斯平面热源所应用的热流方程为：。式中：与焊弧中心位置距离r（t），电弧半径ra；高斯面热源总能量QG，且；热输入效率，焊接电压与电流即U与I。模拟阶段有关焊接参数详见表2。
（四）方法的验证
为使Shell/Solid模型以及计算方法是否精确得到有效验证，本文通过对T形接头进行焊接并对过程采取模拟，并在面板位置设置AA、BB、CC三条直线，AA、CC距离边缘20mm，AA、BB与BB、CC间距230mm。T形接头进行焊接实验选取的焊接板材为面板与腹板，腹板底部位置与面膜交汇处两侧依次施焊。T形接头右侧位置两端点运用z向约束，左侧位置两端点以此运用x，z向约束与x，y，z向约束。面板与腹板尺寸详见表3。
表3具体尺寸
将该T型结构构建Shell/Solid模型展开模拟，将实验所得结果与Solid模型计算所得结果展开对比。
Shell/Solid模型，观察热源中心所处横截面温度分布状况，面板、腹板同焊接触位置表面，温度分布较为连续，与Solid模型状态大致相同。由此得知自由度绑定程序对于接触位置表面处分布的节点以及积分点完美进行线性绑定，并对实际产生的热传导过程进行模拟。对AA、BB、CC直线位置发生角变形进行考察，结构发生明显角变形。面板边界为变形，焊缝处结构产生下沉，整体呈V型。CC角变形较大，AA角变形较小。计算与实验变形趋势相同，与试验相比数值略小[2]。
Shell/Solid模型得出的计算结果同Solid模型与实验结果较为一致，对方法的精确性进行了验证。计算耗时详见表2，Solid模型耗时为Shell/Solid模型耗时的152%。
表2计算时间汇总
二、模拟结果
（一）温度场计算结果
焊接加热阶段，焊接热输入模拟需借助移动热源。对于纵向加强筋而言，瞬时温度场模拟结果为加热阶段最大温度介于2700℃附近。T形接头左右两侧位置同步焊接焊缝，对截面温度分布情况进行二维形式绘图。左右两侧同步焊接，温度对称分布，焊接斜边中心温度最大。左右顺序焊接时，左侧温度分布与同步焊接基本一致。
（二）焊接变形与应力计算结果
为直观了解变形情况，于模型上布置多道直线，对两种焊接方法于各个直线位置进行具体分析。
加筋板具有5根纵向加强筋，第1根中间焊接模拟结束后，两侧板架产生向上翘起。顺序焊接的板架右侧形变小于左侧，同步焊接两侧形变相同。第3根焊接结束后，直线1位置变形体现为相邻位置纵骨间板产生形变呈马鞍形。同步焊接的板架，焊接技术后第2根与第3根经过形变恢复至起始阶段，整体形变对称。顺序焊接的板架，中间位置加强筋焊接阶段板架左侧形变较大右侧较小，第3根焊接结束后，左侧上移而右侧下移。第5根焊接结束后，形变详见图17，加筋板依然维持先前形变趋势。同步焊接的板架，每根加强筋焊接引起板架两侧形变较为对称，整体形变结果也较为对称，且加强筋所处位置维持与初始位置。顺序焊接的板架，形变不对称性持续积累，引起板架整体形变不对称，两侧位置偏离初始位置，左侧形变值最高可至9.8mm。
结论：本文对加强筋焊接顺序一致的状态下，对比加筋板结构构造为T形接头两侧焊缝同步焊接以及顺序焊接方式对焊接板型以及参与应力产生的影响，获得以下结论：第一，运用顺序焊接，板架产生扭曲形变，形变极值较大；第二，运用同步焊接，加强筋形变对称性良好，加强筋所处位置发生形变幅度较小，此种焊接方式便于焊接形变的有效控制以及预测；第三，两种焊接方式对残余应力产生的影响较小。
参考文献：
[1]郭敏，陈震.初始挠度对加筋板结构焊接屈曲变形的影响[J].中国海洋平台，2018，33（01）：61-66.
[2]喻琪，陈震.船体加筋板结构焊接变形和残余应力热弹塑性有限元分析[J].舰船科学技术，2016，38（11）：47-51.