CC BY-NC
23
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-76-81 УДК 621.7:629.5
А.А. Белозеров1, М.М. Бондарь12, А.А. Родионов2
'ООО «Нева Технолоджи», Санкт-Петербург, Россия
2Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия
ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Разработана методика расчета сварочных поперечных деформаций полотнищ обшивки и настилов судового корпуса с применением конечно-элементного комплекса ANSYS. Полученные результаты подтверждены производственным экспериментом.
Ключевые слова: судометрика, сварочные деформации, метод конечных элементов, «чистый размер», лазерный трекер.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-76-81 UDC 621.7:629.5
A.A. Belozerov1, M.M. Bondar1,2, A.A. Rodionov2
!Neva Technology JSC, St. Petersburg, Russia
2St. Petersburg State Maritime University, St. Petersburg, Russia
ON APPLICATION OF HIGH-PRECISION MEASUREMENT EQUIPMENT AND NUMERICAL METHODS IN SHIP HULL MANUFACTURING
This paper presents calculation procedure for welding-induced transverse strains of hull plating and floors in ANSYS software package. The results have been confirmed by an experiment performed in real factory conditions. Keywords: ship metrics, welding strains, FE method, "net size", laser tracker.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Остаточные сварочные деформации и напряжения в корпусных конструкциях приводят не только к увеличению объема ручных пригоночных работ, но также снижают прочность судового корпуса [1]. Учет сварочных деформаций в корпусе необходим не только для уменьшения трудоемкости изготовления корпусных конструкций, но также для обеспечения безопасности эксплуатации судов.
Плавучий док «Звезда» проекта 23380, строящийся на мощностях АО «ДВЗ «Звезда» и АО «ССК «Звезда» фактически, является первым крупным головным судном в России, при изготовлении корпуса которого частично внедряется технология изготовления секций в «чистый размер».
Технология изготовления секций в «чистый размер» означает предварительную контуровку секции с устранением припусков, что обеспечивает компен-
Для цитирования: Белозеров А.А., Бондарь М.М., Родионов А.А. Об использовании высокоточного измерительного оборудования и численных методов в технологических процессах изготовления корпусных конструкций. Труды Кры-ловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 76-81.
For citations: Belozerov A.A., Bondar M.M., Rodionov A.A. On application of high-precision instrumentation and numerical methods in hull manufacturing. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 7681 (in Russian).
сацию усадки в сварных швах и соблюдение заданных геометрических размеров секции. При этом секция сохраняет общие деформации от сварки в продольном и поперечном направлении. Обычно подобную технологию используют для закладной секции. При сборке монтажных стыков на стапеле осуществляется причерчивание и устранение припусков на смежных секциях. Далее выполняют пригонку и сборку связей в монтажном стыке.
Для более широкого применения методики изготовления секций в «чистый размер» необходима разработка технологических мероприятий, основанных на расчетах по снижению сварочных деформаций с учетом обратного выгиба постелей (сборочных стендов) и выбора рациональной последовательности сборки и сварки секций.
Для несерийных судов в рамках проекта 23380 разработана концепция частичного применения методов изготовления секций в «чистый размер». Особое внимание в данном методе уделено планомерному и постоянному контролю точности всех технологических этапов постройки корпуса судна, начиная от контроля точности операций станков газоплазменной резки до этапа формирования блок-секций [2] и формирования групп размерного контроля на предприятии. Несмотря на определенное усложнение технологии постройки корпуса, представленный подход уже сейчас позволил значительно увеличить точность изготовления судовых секций. Принципиальная схема данного метода приведена на рис. 1.
Параллельно с проведением измерительных работ выполняется и численное моделирование для оценки сварочных деформаций в узлах и секциях [2]. При этом активно используется метод конечных элементов. Конечно-элементное моделирование должно обеспечивать создание эффективного инструмента, позволяющего с приемлемой точностью оценить значения сварочных деформаций в конструкциях. Сочетание результатов использования высокоточных измерительных операций и численных расчетов сварочных деформаций сформирует перспективный способ минимизации объемов ручных пригоночных работ, стоимость которых может достигать до 40 % от общей стоимости постройки корпуса [3].
Осложняется данный подход тем, что используемый в работе конечно-элементный комплекс ЛЫБУБ [4] не имеет инструментов прямого моделирования сварочного процесса. При этом, несмотря на существование специализированных расчетных комплексов для сварки, они имеют очень малое
распространение среди кораблестроителей, высокую стоимость и избыточную сложность при создании расчетных моделей и не подходят для быстрого решения больших объемов схожих параметрических задач. Решение термо-деформационных задач, тем более подразумевающих моделирование значительных пластических напряжений и деформаций, - пока достаточно редкое явление в области строительной механики корабля.
Ближайшей целью разработки численных моделей является создание простого, быстрого в работе инструмента, позволяющего с приемлемой точностью оценить значения сварочных деформаций в конструкциях для заблаговременного внесения необходимых припусков в раскройные карты.
В рамках данной работы представлены результаты создания упрощенной модели сварки встык двух пластин обшивки. Целью работы является оценка деформаций при сварке на заданных режимах и определение припусков, необходимых при раскрое стальных листов.
Расчетная схема сварки встык двух пластин и свойства материала
Расчетная модель представляет собой две пластины, имеющие общую грань. На практике пластины предварительно прихватываются сваркой в ряде точек по длине стыка. В процессе сварки осуществляется нагрев стыка и его сплавление. При последующем остывании происходит усадка сварного шва и деформация пластин.
Согласно принятому алгоритму к стыку двух пластин циклически подается тепловая нагрузка, соответствующая реальным режимам сварки. Значения тепловложения в КЭ стыка пластин приняты по рекомендациям спецификаций процесса сварки:
■ пСПС № 121-BW-C21-01(RF) для марки стали D32W толщиной 20 мм;
■ пСПС № 121-BW-C21-02(RF) для марки стали D32W толщиной 22 мм;
■ пСПС № 121-BW-C 21-03 (RF) для марки стали D32W толщиной 25 мм.
Размеры модели представлены на рис. 2. Единицы измерения на представленной схеме - мм. Толщина пластин - 22 мм.
Размеры модели выбраны исходя из следующих соображений:
1) Реальный размер свариваемых листов достигает нескольких метров, однако область пластических деформаций локализуется непосредственно
в зоне сварного шва. Деформации в поперечном направлении одинаковы на всем протяжении шва (за исключением начала и конца шва). Поэтому нет нужды моделировать шов на протяжении нескольких метров.
2) Применение концевых дополнительных пластин в расчетной модели позволяют избежать краевых эффектов.
1000
юо 1
5
Рис. 2.Размеры модели
Рис. 3. Общий вид расчетной модели
ршг да. Т
Рис. 4. Схема приложения граничных условий к модели
Вид модели в плане представлен на рис. 3. Плоскости А3 и А5 являются непосредственно свариваемыми листами стали. Плоскости А1, А2, А4 и А6 представляют собой дополнительные пластины, использующиеся для установки сварочного полуавтомата. Граничные условия представлены на рис. 4.
Согласно принятой методики на поверхностях модели задано условие конвективной теплоотдачи.
Таблица 1. Механические и теплофизические свойства материала
t, oC E, Па от, МПа С, Дж/(кг°С) X, Вт/(м- °С) а, 1/ °С
-20 2,00E+11 315 476 14,6 1,62E-05
200 1,78E+11 295 508 17,1 1,71E-05
300 1,70E+11 270 526 18,6 1,75E-05
500 1,53E+11 250 561 21,4 1,81E-05
700 1,37E+11 190 597 24,2 1,87E-05
1100 7,00E+10 40 650 32,5 2,10E-05
Температура окружающей среды принята равной 20 °С
Теплофизические и прочностные свойства заданы в табличном виде для температур - 20, 100, 200, 300, 500, 700, 1100 °С. Использованные в расчете свойства материала представлены в табл. 1.
Плотность и коэффициент Пуассона считаются неизменными и равны 7850 кг/м3 и 0,3, соответственно.
Тип расчета, время шага и значение нагрузки
Процесс сварки металла является нестационарным. После тепловложения в группу КЭ стыка в течение 1-2 с тепловожение прекращается и процесс циклически повторяется в последующих группах КЭ вплоть до завершения сварки текущего прохода. После прекращения подачи тепла происходит остывание группы КЭ, усадка в сварном шве и образование пластических деформаций.
Согласно упомянутым в пункте 3.2 спецификациям сварки подразумевается разная скорость движения сварочного аппарата на каждом из четырех проходов и соответственно принимается различное значение тепловложений.
Учитывая вышесказанное, расчет производится в 2 этапа:
1) Расчет тепловых полей в модели осуществляется при последовательном тепловложении в процессе четырех проходов в режиме сварочного
автомата. После завершения процесса сварки на каждом проходе задается время для остывания модели. На каждом щаге расчета тепловые поля записываются во внешнюю память.
2) При расчете деформаций пластинчатой модели на каждом шаге считываются из внешней памяти тепловые поля, полученные на первом этапе.
Скорость перемещения сварочного автомата и тепловложение на каждом проходе представлены в табл. 2.
Тип используемых конечных элементов и сетка КЭ
На первом этапе (моделирование теплового процесса сварки и расчет поля температур) использовались термальные элементы. На втором этапе (расчет термопластических деформаций) применялись конструкционные элементы. Изначально планировалось использовать оболочечные конечные элементы. Они показали хорошую сходимость с результатом эксперимента, однако в них полностью отсутствуют пластические напряжения и деформации в направлении оси Z Из-за этого Расчет был повторен с использованием твердотельных элементов. Значения перемещений, полученных этим методом, больше отличаются от экспериментальных результатов, однако адекватно показывают появление пластических напряжений (вплоть до предела прочности материала) и перемещения по оси Z, соответствующие реальным.
При применении пластинчатых элементов на первом этапе использовались КЭ типа SHELL57, которые на втором этапе заменялись на элементы SHELL41.
В случае твердотельных элементов на первом этапе применялись КЭ типа SOLID70, которые на втором этапе заменялись на SOLID45.
В обоих расчетах размеры КЭ были приняты равными L/20, где L - длина сварного шва. В расчете, выполненном при помощи оболочечных элемен-
Таблица 2. Скорость движения сварочного автомата и погонный тепловой поток
№ Скорость головки Тепловой поток,
шага автомата, м/с 10-3 Дж/м-105
1 5,81 36
2 6,64 27
3 5,976 35
4 5,976 42
Рис. 5. Вид сетки конечных элементов
sollfticm
5Ш 'S
, I -1 ыи
17Г
BSVSmQ EMt
:т, - . [9Л ' В .У -.- >I
Рис. 6. Перемещения в направлении оси Y (поперечная усадка)
NTCAL SOLUTOTl
: - ; БЭИ
. [AVO>
¡VSYS-Э №К и. П02Ю4
а« - .oozaoi »к с:
тов, вся толщина листа включала 1 КЭ (t = 22 мм). В расчете с применением твердотельных элементов толщина листа включала 2 элемента. Вид сетки КЭ показан на рис. 5.
Увеличение толщины значительно увеличивает время расчета, на данном этапе принято решение избегать задач, вычисление которых будет занимать более 10 минут на персональном компьютере средней мощности.
Результаты расчета
На рисунках приведены муары поперечной усадки (рис. 6), вертикального перемещения (рис. 7) и поля температур (рис. 8) в твердотельной модели после полного остывания.
Согласно полученным результатам поперечная усадка полотнища составила 0,784 мм. Максимальное вертикальное перемещение в центре полотнища составило 2,8 мм. Данные результаты сопоставимы с ожидаемыми перемещениями в соответствии с используемыми спецификациями сварки.
Результаты производственного эксперимента и сравнение с расчетными значениями
Измерения производились в относительной системе координат по методике, позволяющей изолированно определять сварочные деформации после проварки полотнищ с каждой стороны [2] лазерным трекером API OMITRAC2. Обработка результатов измерений производилась в среде программного обеспечения SpatialAnalyzer. Схема
Рис. 7. Перемещения в направлении оси Z (бухтиноватость)
£ J. fciLW Л.изь 21*41121.
Рис. 8. Поле температур на последнем шаге расчета
Рис. 9. Схема проведения измерений
проведения измерений представлена на рис. 9. На всех полотнищах выполнена У-образная форма разделки кромок.
Замеры по приведенной выше схеме производились 3 раза:
1) Перед началом процесса сварки, когда листы уже зафиксированы и точечно сварены (прихвачены).
2) После окончания сварки с одной стороны (3 прохода с промежуточными охлаждениями).
3) После полного окончания сварки (сварка с оборотной стороны, остывания и переворота на размеченную сторону).
Были произведены серии измерений полотнищ толщиной 22 и 25 мм по 4 полотнища каждой толщины. Полотнища имели от 2 до 3 сварных швов.
Среднее значение поперечной усадки сварного шва на полотнищах толщиной 22 мм составило 1,379 мм. Расчетное значение усадки составило 0,784 мм. Безусловно, точность полученных результатов не позволяет использовать данную модель для инженерных расчетов и необходимо дальнейшее совершенствование расчетной модели МКЭ с учетом У-образной разделки кромок сварного соединения и уточнения режимов тепловложения при сварке полотнищ.
Выводы и результаты
1) Доказана принципиальная возможность использования упрощенных твердотельных моделей для быстрых, предварительных расчетов сварочных деформаций полотнищ.
2) Работы по внедрению методики постройки судового корпуса при изготовлении секций в «чистый размер» на АО «ДВЗ «Звезда» и АО «ССК «Звезда» позволили на основе проведенных расчетов сварочных деформаций компенсировать
усадку при сварке полотнищ обшивки для проекта 23380.
Библиографический список
1. Алферов В.И. О влиянии технологического фактора на напряженно-деформированное состояние и прочность судовых корпусных конструкций//
B.И. Алферов, В.М. Шапошников // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. - 2010. - Вып. 53(337). -
C.5-12
2. Белозеров А А, Бондарь ММ, Манухин В А. Подход к разработке базового ядра методики постройки судового корпуса в чистый размер // Труды Крылов-ского государственного научного центра. 2018; Специальный выпуск 2: 53-58.
3. Адлерштейн Л.Ц. и др. Повышение точности изготовления и монтажа судовых конструкций. Л.: ЦНИИ «Румб», 1983.
4. ANSYS Mechanical APDL Structural Analysis Guide. ANSYS, Inc.
Сведения об авторах
Белозеров Алексей Александрович, директор ООО «Нева Технолоджи». Адрес: 198097, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Новоовсянниковская, 17, лит. А. Телефон: +7 (812) 337-51-92. E-mail: [email protected]. Бондарь Михаил Михайлович, ассистент кафедры строительной механики корабля СПбГМТУ. Адрес: 190008, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3. Аналитик ООО «Нева Технолоджи». Адрес: 198097, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Новоовсянниковская, 17, лит. А. Телефон: +7 (931) 381-45-58. E-mail: bondar_smk@mail .ru.
Родионов Александр Александрович, д.т.н., профессор, зав. кафедрой строительной механики корабля СПбГМТУ. Адрес: 190008, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3. Телефон: +7 (812) 494-09-42. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 11.03.19 Принята в печать / Accepted: 12.04.19 © Коллектив авторов, 2019
