通过将计算机辅助设计和计算机辅助工程集成在装配技术设计中来补偿船舶生产中的焊接收缩外文翻译资料

 2022-07-29 15:31:54

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通过将计算机辅助设计和计算机辅助工程集成在装配技术设计中来补偿船舶生产中的焊接收缩

Heeyoung Heo1,2, Hyun Chung1, Junggoo Park2 and Seokhee Won2. Compensation of welding shrinkage in ship production by integrating computer-aided design and computer-aided engineering in a design for assembly technique[j]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2015, Vol.229 (2)

摘要：焊接是船舶生产中的主要连接过程，其将导致收缩和角变形，降低了组装期间船体块的尺寸质量（遵守公差规格）。考虑到低质量的中间产品不能报废，但必须重新加工，每个工作站的生产率极大地取决于这些中间产品的尺寸质量。用于控制造船中焊接收缩的主要装配设计方法之一是收缩补偿设计。这要求成形的板需要人工重新设计，包括适应焊接收缩的最佳膨胀值。这使由退化的尺寸质量导致的返工量最小化。这项研究结合计算机辅助设计与计算机辅助工程提出了一种新的收缩补偿设计方法和技术，克服了迄今为止使用的经验方法的缺点。提出了一种基于目标函数找到最佳收缩补偿设计形状的优化程序，其将使对于下一个块到块组件预测的总返工成本（由于收缩）最小化。提出的设计方案成功应用于船厂生产设计，并发现提高造船的尺寸质量以及生产力。

关键词：装配，焊接变形，船舶生产，收缩补偿设计

引言：

大多数现代造船商已采用块组装生产方案，其中巨大的中间产品在建造基地中顺序地排列并连接。这种方法缩短了生产时间，从而最大限度地提高了竞争力。如果块体的尺寸精度（与规格一致）相对较差，则结果是非增值返工活动（例如重新切削，过度焊接，间隙较宽，或机械和热校正失准）。这种返工增加了块装配时间，降低了商业竞争力。 Tanigawa1估计，船舶尺寸控制的理想方案，可以节约高达总生产成本的5％，并且通过在安装阶段中随后使用机械化焊接工艺可以节省总生产成本的另外5％。 Dydo对Aegis驱逐舰进行了生产成本分析，确定焊接变形的影响是巨大的（每艘船240万美元 - 340万美元）。

面向组装的设计技术旨在通过在设计阶段进行改进，过程指定的装配设计（DFA）来最大化组装的生产率。 Huang概述了每种主要的DFA技术，Arajou等人在一些大型英国公司使用了这些DFA技术。 Booker等人回顾了面向组装的设计技术对质量的影响，并广泛地确定了DFA的设计策略和指南。 Elgh和Cederfeldt提出了:在设计阶段纳入成本估算，并将可制造性和可生产性设计的生产成本分类。 Sukovoy和Kuo概括为“责任共享管理”（RSM），以帮助有效管理船舶生产中的焊接变形，这种方法可以在广义上解释为DFA。一般来说，在船舶设计过程中，提高尺寸质量的DFA活动在生产设计阶段完成。在DFA指南和目标中，焊接变形控制的方法与最小化或减少浪费的返工具有很强的关系。

焊接变形可以分为两组：面内和面外变形。这些也分别称为：（根据几何变化）收缩率和角失真（图1）。

在组块或中间产品的制造期间由焊接变形引起的尺寸误差在紧接着完成块的安装阶段（块对块组装）期间引起多个返工活动。面内收缩与块对块接缝的重焊和焊接宽间隙返工具有很强的关系，而对准返工区域（通过机械或热减缓活动）在板外变形的组装过程期间。因此，这些不同的返工特性允许通过预测收缩值或轮廓，然后在设计阶段期间适应尺寸的预期变化来管理收缩。相比之下，角度失真必须通过在生产期间的物理校正来减轻。从DFA的观点，本研究集中在用于管理由变形引起的焊接收缩的设计技术。可以肯定的是，角变形可以通过船舶生产期间的几何变化而引起额外的收缩（除了纯面内收缩），但是相对于纯收缩，这可以忽略不计（小于10％）。

为了尽量减少焊接收缩对生产的影响，Okumoto研究并总结了船舶生产设计技术，通过其扩大板的尺寸以补偿预期的焊接收缩（图2）。通过在生产设计阶段期间提供具有收缩补偿值的均匀扩展的板轮廓，该方法旨在补偿在制造期间预期的目标板的收缩量。在使用这种技术之前，通常向船体的一侧或两侧添加20至50mm的余量，并且在块安装阶段期间通过手动火焰切割或研磨来修整该余量。这种返工导致造船生产率的显著降低。虽然其潜在的好处是明确的，但是这种方法受制于技术限制，即基于经验公式或设计者的经验来预测收缩。这使得DFA难以应用于复杂的焊接结构，这进一步使事情复杂化。DFA方案不能与计算机辅助设计（CAD）系统链接。 Ferencic等开发了一种实用的工程解决方案，通过其焊接收缩补偿设计（SCD）方法可以嵌入在CAD系统中，其使用也基于收集的收缩的经验方法，来自母型船组件的数据。

如今，CAD接口或计算机辅助工程（CAE）的尺寸精度的技术方法在造船和其他装配工业的使用。 Takechi等人研究了一种船体定位方法，以最小化两个变形的组装期间的返工劳动块使用CAD模型。 Soderberg等人应用有限元方法（FEM）来评估尺寸柔性构件的质量的灵敏度。 Park等人使用FEM计算焊接变形对预组装零件的影响，然后调整零件的切割轮廓以补偿预期的焊接变形。 Baumer等人强调了将三维（3D）船舶设计系统集成到造船厂信息技术系统中的整体优势。

本文提出了两种与焊接相关的DFA方法。首先，它提出了一种基于有限元分析（FEA）方法，直接与CAD接口的CAE预测焊接收缩的系统，而不是依靠经验数据或经验。为了验证，与从真实船舶生产收集的收缩测量数据相比较，对预测的可靠性进行评估。第二，本研究探索DFA优化技术，以找到预测焊接收缩分布的最佳拟合，扩展几何补偿。该优化过程的目标函数是使由下一个块架设阶段的收缩引起的返工成本最小化。总返工成本是使用相应的返工成本因素和焊接宽缝返工活动的组合来评估的，这些是从实际生产数据的调查中估计的。为了确定最优设计形状，作者使用混合优化方法组合直接检测的有前途的区域（可能包含全局最小值）与离散目标函数的Nelder-Mead（NM）下坡单纯形法。所使用的计算机程序是用于SCD的Visual C 开发的，并且使得整个过程能够充当自动数据接口（包括用于FEA的前处理和后处理）。这些新开发的DFA方法在船舶和海上平台的生产设计阶段成功地与CAD系统接口。

焊接变形预测

Verhaeghe总结了各种基于实验或基于分析方法的经验公式，这些公式来源于热传递和固体力学的工程概念，作为预测焊接变形的经验法则，但是这种方法的成功有限，因为公式被开发是在特定条件下。 现在，使用FEM的数值分析通常用于预测焊接变形。 Friedman和Josefson是利用热塑性塑料分析预测焊接变形的最早几个研究者之一。 许多研究人员进一步开发了这种数值分析方法，但是它需要与所需的热和机械分析相关的耗时的过程。

Ueda等人提出了基于实验的等效机械加载方法来快速获得最终变形。它假定已分配机械力与焊接点相邻的力矩产生焊接变形。 这种方法的一个关键限制是施加的载荷应该只从实验计算。 为了克服这一点，Murakawa等人提出了固有的基于应变的等效机械加载方法。 许多研究进一步开发了该方法并应用于预测焊接变形。然而，当应用于具有弯曲焊接接头的焊接结构时，该方法也有局限性，因为在处理弯曲焊接接头时，所施加的力可能引起焊接收缩以及意外的角度变形和弯曲焊接线。

Ha等人提出了一种固有的基于应变的等效热负荷方法，通过该方法结点温度和假想热膨胀系数（a）的组合可以引起焊接变形。基于应变的等效机械和热负载方法之间的示意性差异显示为简单的角接头焊接示例（图3）。在这项研究中，基于等效热加载方法，开发了一种用于预测焊接收缩的自动化系统。这种简化的热负荷分析方法的原理是，最终的焊接变形可以通过FEA产生，在靠近焊接线的热负荷壳元件通过围绕没有温度变化的硬化区域而经受弹塑性行为。这假设温度值被分配给某些焊接线节点，而其他的是零。此外，等于关注的接头的固有应变（e *）的假想负热膨胀系数值仅映射到焊接线元件上。通过Ha提出的加权函数，基于通过二维（2D）瞬态热传递分析计算的固有应变区域，计算要映射到要收缩的网格板中的边界条件，节点温度和虚拟热膨胀系数依赖的热性能。固有应变区可以定义为焊点和热影响区（HAZ），其节点温度是机械熔点（对于普通碳钢壳，约950，其温度下的屈服强度性能低于50MPa）或更高。考虑到诸如板厚，接头细节，焊接工艺，材料等的各种性质，边界条件数据库由计算的温度和膨胀系数构成。每个边界条件可以从这个构建的边界数据库中提取，比较从CAD系统接口的属性信息，并最终映射到要分析的基板的2D壳单元集合。自动FEA系统设计用于使焊接板与自适应啮合技术啮合。子板的2D元素主要由二次双线性壳单元组成。与每条焊接线相邻的元件被均匀地限制为50times;3times;50mm的尺寸，并且其他区域自由地与焊接线元件的尺寸的大约三倍或四倍自由地啮合，因为其他区域没有温度边界条件，因此，尺寸对焊接变形分析结果影响不大。图4显示了计算边界条件，构建数据库以及将边界条件映射到2D壳单元集中的详细示意流程。

考虑焊接变形的DFA方法：

CAD接口和预处理

从CAD模型导入的几何和属性信息通过预处理程序自动转换为合适的网格和FEM的等效边界条件。几何信息限定了待收缩的基板的表面形状，以及焊接到基板上的加强构件的线或曲线。属性信息包含分配解决预测的焊接变形（即板厚度，材料，加强构件的结构刚度，焊接工艺和焊接接头细节）所需的边界条件所需的所有信息。一起导入后，基板的表面被合并到一个表面中，并且自动执行清理过程以便消除几何缺陷，例如:较小的不匹配或渗透，其可以引起意外的网格问题。此外，用于加强构件的桁架元件被映射到精确的位置，具有等效结构刚度的那些构件以建立2D有限元模型。在此过程中，子表面之间的关节板和加强筋之间分别被认为是对接和圆角接头。此后，进行自适应啮合技术以仅在与焊接线相邻的区域中获得细网格集合，以便在焊接线上布置常规大小的网格。这也最小化了基板的网孔的总数，以节省计算时间并节省计算期间所需的存储器。包括CAD接口信息交换和测量清理，自适应网格划分和映射边界条件的整个过程通过由Visual C 编码的开发程序是全自动的。图5示出了用于示例模型的几何处理预处理的几个步骤。

FEA和验证

通过几何和属性文件的这种内部解析和匹配过程，每条焊接线具有唯一的信息，通过该信息识别装配部件和焊接参数。这些数据被转换为等效热负荷FEA所需的边界条件，通过计算来自建立数据库的假想温度和膨胀系数值。

即使负热膨胀系数应映射到每个焊接线以产生焊接收缩，如我们所提到的，使用具有相同绝对量值的正值，因为该FEA旨在预测导致原始（标称）形式经历焊接收缩。这个假设是基于这样的想法：焊接收缩的简化FEA基于热膨胀的物理学，并且是完全可逆的过程。 计算的边界条件被分配给每个焊接线的对应节点和元素。 图6示出了在解决FEA之后在原始形状和膨胀（适应）板之间进行比较的示例。

原始设计上的相对直线边缘被改变为不规则变形形状，因为焊接线不是均匀地分布在板上，以及因为由于诸如接头细节，焊接工艺和材料的考虑，每个边界条件不同。

几个分析结果与实际制造数据进行比较，以验证所提出的FEA方法。 使用收集收缩数据3D全站仪设备（SOKKIA NET1200），一个集成了电子测距仪（EDM）的电子经纬仪，用于读取仪器到特定点的距离。 在与分析结果比较之前进行误差分析以检查测量的可靠性。导致3D全站仪测量误差的主要因素或活动可以分为三类：设备误差（E），准直误差（C）和目标误差（T）。

通过消除准直和目标误差而不改变每个固定目标的测量设备的位置以及没有任何准直活动，使用大约20m远的两个目标的成对点的距离差来统计地评估设备误差（E） 。然后，不仅包括设备的误差，而且包括准直（C）的误差，通过仅增加用于固定目标的准直活动来与成对点的距离差分析，这是用于先前误差分析的相同测量情况。通过包括目标活动的结果，可以将目标误差（T）添加到总测量误差中，其中将反射目标手动放置在每个实验的测量点上。每个误差分析的距离误差的采样数和标准偏差值总结在表1中的直方图中。如果过程假定为正态分布，则过程变量可以通过标准偏差来统计解释。从基本统计定理，两个或更多独立随机变量的和的方差等于变量的方差的和。因为组合测量活动误差的总方差可以由每个方差的和表示，所以纯准直和目标误差可以分别由标准偏差0.186和0.495（分别来自等式（1）和（2））表示，因为三个误差因子之间的统计独立关系。

其中sigma;E，sigma;C和sigma;T分别是（E），（C）和（T）的标准偏差。

研究了实验之间的收缩差异和几个真实船的分析结果，以验证FEA方法。产品示例的测量场景如图7所示。将焊接前后的3D全站仪设备测量和记录的两个方向上的收缩值与边缘和中线的预测分析结果进行比较。预测的标称收缩率分布是从底板之间的对接焊缝的收缩率和随后的加强筋的角焊缝的总和计算的。比较结果总结在表2中。实验和分析之间的大部分差异在测量误差范围内以在之前最佳地评价，因此得出结论，基于等效热负荷法和新开发的软件程序可以可靠地预测标称收缩分布。

后处理和优化问题的制定

通常，在焊接之后，板不规则地收缩，而不是直线收缩，但是在实际船舶

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