導(dǎo)語：船舶復(fù)雜曲板熱加工成形工藝研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：在造船業(yè)，大量的雙曲度鋼板需要加工，外板成形加工的效率和質(zhì)量直接影響整個造船進度和質(zhì)量。本文總結(jié)了近年來火焰加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光成形等熱加工工藝的新進展，闡述了船體曲板熱加工成形的國內(nèi)外研究近況，提出了進一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：船體板；熱成形；水火彎板；高頻感應(yīng)加熱

在“中國制造2025”和“智能制造”的戰(zhàn)略背景下，船舶制造這一傳統(tǒng)制造領(lǐng)域為實現(xiàn)智能造船，急需推進船舶智能制造生產(chǎn)流水線。在造船行業(yè)有大量的船體復(fù)雜曲面外板需要加工，外板成形加工的效率和質(zhì)量直接影響整個造船進度和質(zhì)量。船舶復(fù)雜曲板成形是實現(xiàn)船舶智能制造的關(guān)鍵一環(huán)，加工方法分為冷加工成形和熱加工成形。熱加工成形是一種船舶曲面外板成形的重要方法，該方法需預(yù)先設(shè)定加工方案，采用熱源在鋼板表面局部線狀加熱，在鋼板厚度方向上產(chǎn)生一定的溫度梯度，冷卻后沿厚度方向產(chǎn)生不同的收縮變形，從而促使鋼板產(chǎn)生整體變形。按照熱源不同可分為火焰加熱、高頻感應(yīng)加熱、激光成形等。單純依靠人工經(jīng)驗加工船舶復(fù)雜曲板已無法滿足智能造船的要求，船舶復(fù)雜曲板自動化加工一直是造船業(yè)的研究熱點。實現(xiàn)水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報，擺脫對加工經(jīng)驗的依賴，進而實現(xiàn)船舶曲板水火加工自動化和智能化，是造船領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者努力的目標(biāo)之一。

1火焰加熱研究現(xiàn)狀

火焰加熱一般利用氧-乙炔或氧-丙烯作為熱源，跟蹤水冷。該方法是目前世界各國廣泛采用的商船復(fù)雜曲板加工成形方法，具有操作簡單、成本低廉、適用范圍大等優(yōu)勢。船體復(fù)雜曲板加工的研究思路一般通過數(shù)值計算和實驗相結(jié)合的方法研究成形機理，研究變形和工藝參數(shù)之間的規(guī)律，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，試圖將設(shè)計曲面和變形建立聯(lián)系，根據(jù)設(shè)計曲面的數(shù)據(jù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型預(yù)測成形工藝參數(shù)。曲板成形數(shù)值計算的研究方法主要分為熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法，日本學(xué)者研究水火彎板根據(jù)固有應(yīng)變法，韓國和國內(nèi)學(xué)者采用熱彈塑性有限元法。1.1火焰加熱國外研究近況。日本大阪大學(xué)Vega等[1-2]研究了交叉加熱線對固有應(yīng)變的影響，研究中將兩條加熱線十字交叉布置。分析了熱輸入、板厚、板長、板寬對線變形和角變形的影響，進而分析了不同板長下第一條加熱線長度和第二條加熱線長度的比值對線變形和角變形的影響。揭示了加熱線的交叉效應(yīng)、加熱條件和幾何因素對固有變形的影響。日本東京大學(xué)Sun等[3]提出了一種基于虛擬樣板的曲面匹配方法，掃描得到加工曲面，根據(jù)設(shè)計曲面計算虛擬樣板，采用區(qū)域生長算法匹配加工曲面和虛擬樣板，開發(fā)相應(yīng)的軟件顯示設(shè)計曲面和加工曲面的偏差，指導(dǎo)工人進行水火彎板加工。韓國三星重工Park等[4]提出了一種水火彎板加工閉環(huán)的方法，包括加工、曲面測量、曲面匹配和二次加工等，采用激光掃描曲面，并進行曲面匹配，帆形板采用三角形加熱，鞍形板采用線加熱。1.2火焰加熱國內(nèi)研究近況。徐金雄等[5-6]提出一種基于曲面分解的特征識別與專家分類方法。將外板曲面分解成橫向彎曲面、縱向彎曲面和扭向彎曲面，再對分解曲面的特征進行分析，總結(jié)出簡單板型的特點及分類規(guī)則，為外板加工參數(shù)的優(yōu)化選擇提供依據(jù)。此外，提出一種船體外板成形效果的量化評價方法，將設(shè)計曲面和加工曲面的肋骨線置于同一坐標(biāo)系下，計算肋骨線關(guān)鍵點的曲率，計算兩個曲面關(guān)鍵點肋骨線曲率的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，據(jù)此量化水火彎板的成形進度。江蘇大學(xué)齊亮等[7]研究了水火彎板成形影響因素對表面溫度和變形的影響。為比較不同成形條件下的熱輸入，提出了單位面積熱源總能量的有效輸入和在單位時間和面積下熱源總能量的有效輸入。研究了這兩個影響因素和鋼板表面最高溫度和加熱深度之間的關(guān)系，分析了單位面積熱源總能量的有效輸入對線變形和角變形的影響，從而找到對角變形和線變形有較大影響的因素。大連理工大學(xué)劉玉君等[8-9]研究了考慮船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報。為了改進基于局部變形研究工藝參數(shù)預(yù)報對厚板和大曲率板計算誤差大的不足，并將曲板檢測結(jié)果直接用于二次加工參數(shù)預(yù)報，綜合考慮了撓度變形和局部變形，結(jié)合船體曲板加工實際特點研究了考慮撓度變形的水火彎板數(shù)值計算方法，建立了更符合實際的熱彈塑性水火加工數(shù)值模型。研究了船體外板撓度變形和局部變形之間的關(guān)系，分析了撓度變形和局部變形的規(guī)律，提出了撓度影響數(shù)的概念，建立了撓度影響數(shù)的數(shù)值模型，可根據(jù)撓度影響數(shù)快速計算撓度變形。研究了基于船體外板撓度變形的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報方法，并開發(fā)了相應(yīng)的預(yù)報軟件。將軟件用于實船板的水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報，檢驗了預(yù)報方法的可靠性。為了解決高強鋼和鋁合金板的成形難題，汪驥等[10-14]提出了一種電磁力輔助水火彎板的新方法。該方法在傳統(tǒng)水火彎板的基礎(chǔ)上施加了電磁力輔助鋼板成形，研究了電磁力輔助水火彎板的多物理場耦合數(shù)值計算方法，設(shè)計了電磁力相關(guān)的電路，研究了電路參數(shù)影響規(guī)律、加工參數(shù)對溫度場和變形的影響、電磁力輔助鋁板水火彎板的成形機理，開發(fā)了電磁力輔助水火彎板的加工裝置等。國內(nèi)外學(xué)者研究火焰加熱均取得了一定的成果，研究了不同板件類型的工藝參數(shù)預(yù)報方法，開發(fā)了各種自動化成形設(shè)備。但成形設(shè)備的自動化和智能化水平不夠高，難以完全替代工人操作。成形影響因素眾多，研究中考慮了主要因素，忽略了次要因素，對計算結(jié)果有一定的偏差?；跀?shù)值計算和實驗的數(shù)據(jù)樣本不夠多，使得成形結(jié)果不夠準(zhǔn)確。加工曲面的成形檢測和曲面匹配效率低，且自動化檢測方法難以適應(yīng)船廠的工作環(huán)境。目前水火彎板自動化設(shè)備還未在船廠廣泛應(yīng)用。

2高頻感應(yīng)加熱研究現(xiàn)狀

高頻感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)使被加熱的材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的。高頻感應(yīng)加熱是火焰加熱的一種替代熱源，國內(nèi)外學(xué)者早期研究了感應(yīng)加熱應(yīng)用在船舶曲板成形的可行性，近期研究了感應(yīng)加熱多物理場耦合的數(shù)值計算，并研究了加工參數(shù)對變形的影響規(guī)律。2.1高頻感應(yīng)加熱國外研究近況韓國材料科學(xué)研究院的Lee等[15-16]研究了不同功率對SS400鋼板（厚20mm）感應(yīng)加熱成形的影響，溫度梯度隨輸入功率的增加而急劇增加，研究了不同功率下的垂向位移的變化。基于數(shù)值計算和實驗研究了之字形和扇形兩種三角形加熱的厚板溫度和變形，之字形加熱產(chǎn)生的鋼板變形顯著高于扇形加熱，證明之字形加熱更適用于厚板高頻感應(yīng)加熱。韓國Lee等[17]提出了一種長方形的線圈，這種線圈不需要在感應(yīng)加熱過程中移動，節(jié)省加熱時間，將數(shù)值模型的計算結(jié)果和實驗對比驗證了數(shù)值模型的有效性。2.2高頻感應(yīng)加熱國內(nèi)研究近況江蘇科技大學(xué)周宏等[18-20]研究了表面換熱系數(shù)、熱源和材料熱物理性能對高頻感應(yīng)加熱的影響。利用ANSYS軟件對高頻感應(yīng)加熱過程進行了熱彈塑性分析，根據(jù)數(shù)值結(jié)果定性分析了換熱系數(shù)對冷卻至室溫所需的時間、縱向位移、橫向局部收縮和殘余應(yīng)力的影響。通過比較不同加熱速度下參考點溫度的數(shù)值模擬和實驗測量結(jié)果，驗證熱源模型的有效性，進而研究了板厚和移動速度對橫向收縮和橫向角變形的影響。研究了導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)對變形的影響，橫向收縮變形取決于高溫區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)，橫向角變形取決于低溫區(qū)的導(dǎo)熱系數(shù)。華中科技大學(xué)魯鵬[21]研究了感應(yīng)加熱過程的相似性，為計算溫度場提出了熱源在恒定速度運動時的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱的相似條件和與表面最大溫度相關(guān)的物理量。研究了溫度場和變形場的規(guī)律和殘余應(yīng)力對局部收縮變形和角變形的影響。重慶交通大學(xué)張繼祥等[22]研究了Q345鋼感應(yīng)加熱時不同功率對加熱區(qū)域橫向變形、角變形和曲率半徑的影響，研究了加熱過程和冷卻后鋼板最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的位置。大連理工大學(xué)Zhang[23-24]研究了局部收縮量和感應(yīng)加熱工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。為了得到感應(yīng)加熱工藝參數(shù)和局部變形之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，建立了鋼板移動式感應(yīng)加熱的電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合模型，研究了多場耦合下的溫度和變形機理，并與實驗對比驗證數(shù)值模型的精度。為了克服感應(yīng)加熱端部效應(yīng)對板邊局部變形的不利影響，提出了感應(yīng)器移動出鋼板板邊和端部三角加熱的方法，利用端部效應(yīng)的外擴渦流增加鋼板端部的加熱面積，從而增加鋼板端部的局部收縮量，實驗證明兩種方法均可減小端部效應(yīng)對局部變形的不利影響。此外，研究了鞍形板感應(yīng)加熱渦流特征和變形分布。提出了局部變形的簡化計算模型，引入了熱影響區(qū)的概念，建立了熱影響區(qū)特征參數(shù)和工藝參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型和局部收縮量和熱影響區(qū)特征參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，從而建立了局部收縮量和感應(yīng)加熱工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。作為火焰加熱的替代熱源，高頻感應(yīng)加熱具有清潔、容易控制等優(yōu)勢。高頻感應(yīng)加熱目前還處于成形機理和成形規(guī)律研究階段，由于其數(shù)值模擬比火焰加熱增加了電磁場的耦合，數(shù)值計算難度更大，對于大尺寸板件的數(shù)值計算速度較慢甚至難以完成。還需進一步改進數(shù)值計算模型，研究適用于船舶復(fù)雜曲板成形的電流、電壓、頻率等電磁參數(shù)和加熱位置、加熱線長度、加熱速度等加工參數(shù)。

3激光成形研究現(xiàn)狀

激光成形是利用激光熱源在板件局部產(chǎn)生非均勻的熱應(yīng)力，產(chǎn)生局部的塑性變形，設(shè)定不同的加工參數(shù)使得板件產(chǎn)生所需的變形。激光成形具有熱源集中、清潔、效率高等優(yōu)點，適合高強度、高硬度和脆性等難成形材料的成形，為解決鈦合金、鎳合金等材料曲板成形提供新思路。由于激光成形能量密度高、熱影響區(qū)小，對材料性能的影響小，適合薄板的成形加工。3.1激光成形國外研究近況。巴西航空理工學(xué)院的Siqueira等[25]研究了高強度鋁合金板的激光成形，通過實驗研究了不同功率、掃描速度、光斑直徑等對1.6mm厚高強度鋁合金板彎曲角度的影響，進而找出可產(chǎn)生最大彎曲角度的激光參數(shù)。為驗證激光成形的適用性，還將激光成形用于彎曲角度5°的T型材的矯正。3.2激光成形國內(nèi)研究近況。中國石油大學(xué)Shi等[26]研究了多道激光成形對板件成形精度的影響，掃描路徑上由于各位置的最高溫度不同，產(chǎn)生的彎曲角度有一定的差別。為減小彎曲角度的波動，針對2mm厚的小板設(shè)計了不同的激光掃描路徑方案，比較不同方案下板面最高溫度和彎曲角度沿掃描路徑的分布，找到合適的控制彎曲角度波動的方案，指導(dǎo)激光成形加工方案設(shè)計。激光成形研究處于機理研究階段，受制于激光器功率和成本的限制，現(xiàn)有激光成形研究的板件尺寸均較小，和板件實際尺寸差別大。此外，研究中未考慮船舶曲板加工的實際特點。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的功率不斷增加，成本逐步降低，有利于激光成形用于船舶復(fù)雜曲板加工。隨著船舶輕量化和艦船需求的發(fā)展，越來越多的合金材料需要成形加工。對于鈦合金、鎳合金等特殊材料，傳統(tǒng)火焰加熱和高頻感應(yīng)加熱難以勝任。因此，為了解決船舶復(fù)雜曲板成形中合金的加工難題，需研究考慮船舶復(fù)雜曲板實際尺寸和加工特點的激光成形技術(shù)。

4熱矯正工藝研究現(xiàn)狀

英國思克萊德大學(xué)Barclay等[27]通過實驗研究了加筋板焊后角變形的電磁感應(yīng)矯正。針對不同的板厚、焊接參數(shù)，設(shè)定不同的電磁感應(yīng)矯正移動速度，測量矯正前后的角變形。分析了不同影響因素對矯正角變形的影響規(guī)律，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測不同工藝參數(shù)產(chǎn)生的角變形。武漢理工大學(xué)向祖權(quán)等[28]研究了球扁鋼肋骨縱向彎曲的火工矯正方法，通過全站儀測量肋骨和板材的線型，匹配后計算相應(yīng)點的裝配偏差，據(jù)此提出了肋骨火工矯正工藝參數(shù)的計算方法，并開發(fā)了相應(yīng)的參數(shù)預(yù)報系統(tǒng)，指導(dǎo)現(xiàn)場肋骨變形的火工矯正。大連理工大學(xué)王銘僑[29]基于數(shù)值計算研究了T型材結(jié)構(gòu)的電磁感應(yīng)矯正，分析了T型板件的規(guī)格、空氣間隙、加熱時間等工藝參數(shù)對矯正效果的影響規(guī)律，為后續(xù)研究電磁感應(yīng)矯正焊接變形提供參考。汪驥等[13-14]研究了典型板件和板架焊接的電磁感應(yīng)矯正，針對平板對接焊和角焊兩種典型的焊接形式，研究了不同焊接參數(shù)和板件尺寸下的變形規(guī)律和殘余應(yīng)力分布規(guī)律。將殘余應(yīng)力分布作為初始條件研究焊接后變形的電磁感應(yīng)矯正。

5結(jié)語

為了實現(xiàn)水火彎板加工自動化和智能化，可借助機器學(xué)習(xí)等方法研究變形和工藝參數(shù)之間關(guān)系的模型，研究水火彎板工藝參數(shù)預(yù)報的智能算法，開發(fā)相應(yīng)的自動化加工裝備。高頻感應(yīng)加熱需進一步研究數(shù)值計算模型，以適應(yīng)船舶復(fù)雜曲板成形大規(guī)模的高效計算。為了解決特殊材料復(fù)雜曲板成形，需開展船舶復(fù)雜曲板激光成形研究，在船舶輕量化和艦船建造領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

作者:王順 侯立勛 汪驥 劉玉君 單位:大連海事大學(xué)