一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法及系统

本发明涉及船舶轻量化薄板精度建造，尤其涉及一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法及系统。

背景技术：

1、为了实现舰船轻量化设计，薄板构件及结构被广泛采用，但由于板材厚度的锐减，底板拼焊对接时，焊缝收缩引起的压缩效应可能导致薄板对接失稳的产生，严重地影响轻量化舰船的建造精度。若在焊后冷却至室温，通过火工以及机械矫正的方式，会显著地影响舰船的建造成本以及周期。当前，薄板对接失稳的控制策略主要是通过采用高能束焊接方法，降低热输入，减小焊缝纵向收缩力的产生，可以有效地避免薄板对接失稳，其存在投入成本高、设备现场柔性差、工艺复杂等诸多工程问题。

2、公开号为cn120995774a的中国专利申请公开了基于温度应力的焊接有限元快速刚度矩阵组装求解方法，涉及焊接工艺有限元仿真技术领域，该方法基于焊接过程的局部热输入特性，通过温度和应力的双重变量对刚度矩阵更新策略进行优化。在弹性区域，根据温度变化幅度灵活调整计算策略，而在塑性区域则针对材料非线性行为进行迭代修正。但是上述方案仅从焊接有限元数值求解效率出发，通过刚度矩阵选择性更新来减少计算量，未对薄板对接焊接过程中的温度场与塑性应变进行主动调控，导致在实际船舶薄板拼焊中仍难以有效抑制面外失稳变形。因此，提供一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法及系统，来提升薄板焊接结构的成形精度与尺寸稳定性，是非常有必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法及系统，有助于提升薄板焊接结构的成形精度与尺寸稳定性。

2、本发明提供了一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法，所述方法包括：

3、根据待焊薄板对接接头的尺寸参数，构建与所述待焊薄板对接接头对应的第一有限元模型；

4、基于预设焊接方法和工艺参数确定焊接线能量，并以所述焊接线能量作为焊接有限元计算的热输入，对所述第一有限元模型进行焊接有限元计算，以获取所述第一有限元模型在焊接过程中的第一温度场分布以及焊后冷却至室温时的第一纵向塑性应变分布；

5、根据所述第一纵向塑性应变分布求取作用于焊缝区域的第一焊接纵向收缩力，并以所述焊接纵向收缩力为载荷，对所述第一有限元模型进行特征值分析，以获取用于评价薄板对接失稳的驱动力临界值；

6、构建与所述待焊薄板对接接头对应的第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型在待焊薄板对接接头背面设置有循环水冷装置，并且所述循环水冷装置具有可调节的背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数；

7、在多个不同背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数组合下，对所述第二有限元模型进行焊接有限元计算，以获取各参数组合对应的第二焊接纵向收缩力；

8、基于kriging代理优化模型，对所述背面循环水冷工艺参数和所述装置尺寸参数进行优化，以获取使第二焊接纵向收缩力小于所述驱动力临界值的最优参数组合，并将所述最优参数组合作为所述循环水冷装置的优化设计方案进行输出。

9、在以上技术方案的基础上，优选的所述根据待焊薄板对接接头的尺寸参数，构建与所述待焊薄板对接接头对应的第一有限元模型，具体包括：

10、获取所述待焊薄板对接接头的尺寸参数，其中，所述尺寸参数包括板长、板宽、板厚、对接间隙、坡口形式以及焊缝尺寸；

11、在有限元分析软件中构建由两块薄板母材和位于两块薄板之间的焊缝区域构成的三维几何模型，并对所述三维几何模型进行网格划分，形成由实体单元构成的第一有限元模型。

12、在以上技术方案的基础上，优选的所述焊接有限元计算包括：

13、采用移动热源模型将基于预设焊接方法和工艺参数确定的焊接线能量作为热输入加载至所述第一有限元模型，对所述第一有限元模型的焊接过程进行瞬态热分析，以获得所述第一有限元模型在各时刻的温度场分布，并将所述温度场分布作为温度载荷施加至结构分析步中，通过温度相关的弹塑性本构模型求解应力-应变响应，并在焊后冷却至室温时提取沿焊缝方向的塑性应变分量作为所述第一纵向塑性应变分布。

14、更进一步优选的，所述对所述第一有限元模型进行特征值分析，以获取用于评价薄板对接失稳的驱动力临界值，具体包括：

15、根据所述第一纵向塑性应变分布，求取作用于焊缝区域的第一焊接纵向收缩力，将所述第一焊接纵向收缩力作为所述待焊薄板对接接头的参考力学载荷；

16、基于所述第一有限元模型构建所述待焊薄板对接接头的整体刚度矩阵，并对所述刚度矩阵进行特征值分析，获得各阶特征值以及与每一特征值对应的特征向量，其中，不同特征向量对应不同的焊接屈曲模态；

17、将所述第一焊接纵向收缩力与各阶特征值的乘积作为各焊接屈曲模态的临界焊接纵向收缩力，其中，一阶屈曲模态对应的特征值与所述第一焊接纵向收缩力的乘积，作为对接屈曲变形的纵向收缩力临界值，并被标注为用于评价薄板对接失稳的驱动力临界值。

18、更进一步优选的，所述构建与所述待焊薄板对接接头对应的第二有限元模型，具体包括：

19、在与所述待焊薄板对接接头的尺寸参数相同的基础上，在所述待焊薄板对接接头背面、沿焊缝区域布置背面循环水冷装置的三维几何结构，对包括所述待焊薄板对接接头以及背面循环水冷装置在内的整体几何模型进行有限元网格划分，并在所述待焊薄板对接接头的背面与所述背面循环水冷装置之间设置等效传热边界；

20、其中，所述背面循环水冷装置具有可调节的背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数，所述背面循环水冷工艺参数包括循环水流量、循环水入口温度以及循环水流速，所述装置尺寸参数包括冷却通道直径、冷却通道之间的间距以及冷却通道与所述待焊薄板对接接头中待焊薄板背面之间的间距。

21、更进一步优选的，所述kriging代理优化模型的构建过程包括：

22、将所述背面循环水冷装置的可调节参数作为kriging代理优化模型的输入变量；

23、在预先设定的各输入变量的取值范围内，采用试验设计方法生成多组背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数的组合，利用所述第二有限元模型对每一组参数组合进行焊接有限元计算，获得与各参数组合对应的焊缝第二焊接纵向收缩力；

24、基于背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数的组合，以预设函数形式构建kriging代理模型，使所述kriging代理模型用于表征所述背面循环水冷工艺参数和所述装置尺寸参数与所述第二焊接纵向收缩力之间的映射关系。

25、更进一步优选的，沿所述第二有限元模型的焊缝方向布置一条或多条平行设置的冷却通道，或者沿垂直于所述第二有限元模型的焊缝方向布置为一条或多条平行设置的冷却通道，所述冷却通道相对于所述第二有限元模型的焊缝中心线的间距和排布方式根据所述驱动力临界值选定。

26、在本技术的第二方面提供了一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除系统，所述薄板对接失稳消除系统包括模型构建模块、数据处理模块以及设计优化模块，其中，

27、所述模型构建模块用于根据待焊薄板对接接头的尺寸参数，构建与所述待焊薄板对接接头对应的第一有限元模型；

28、所述数据处理模块用于基于预设焊接方法和工艺参数确定焊接线能量，并以所述焊接线能量作为焊接有限元计算的热输入，对所述第一有限元模型进行焊接有限元计算，以获取所述第一有限元模型在焊接过程中的第一温度场分布以及焊后冷却至室温时的第一纵向塑性应变分布，根据所述第一纵向塑性应变分布求取作用于焊缝区域的第一焊接纵向收缩力，并以所述焊接纵向收缩力为载荷，对所述第一有限元模型进行特征值分析，以获取用于评价薄板对接失稳的驱动力临界值，构建与所述待焊薄板对接接头对应的第二有限元模型，其中，所述第二有限元模型在待焊薄板对接接头背面设置有循环水冷装置，并且所述循环水冷装置具有可调节的背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数，在多个不同背面循环水冷工艺参数和装置尺寸参数组合下，对所述第二有限元模型进行焊接有限元计算，以获取各参数组合对应的第二焊接纵向收缩力；

29、所述设计优化模块用于基于kriging代理优化模型，对所述背面循环水冷工艺参数和所述装置尺寸参数进行优化，以获取使第二焊接纵向收缩力小于所述驱动力临界值的最优参数组合，并将所述最优参数组合作为所述循环水冷装置的优化设计方案进行输出。

30、在本技术的第三方面提供了一种电子设备，包括处理器、存储器、用户接口及网络接口，所述存储器用于存储指令，所述用户接口和网络接口用于与其他设备通信，所述处理器用于执行所述存储器中存储的指令。

31、在本技术的第四方面提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行实现一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法的步骤。

32、本发明提供的一种基于背面循环水冷的薄板对接失稳消除方法及系统相对于现有技术具有以下有益效果：

33、（1）通过计算焊接纵向塑性应变、焊缝纵向收缩力以及与驱动力临界值对比，使实际纵向收缩力低于失稳临界值，从源头上避免薄板对接失稳，并且背面循环水冷装置的工艺参数和尺寸经过优化后，可有效降低焊接纵向收缩和残余应力，减小焊后变形量，保证焊后构件的几何精度和平整度利用有限元模型和kriging代理模型，建立参数组合与焊缝收缩力之间的映射关系，在虚拟环境下完成多参数联合优化，避免传统靠经验、试错调整工艺的方式，提高设计效率，同时通过仿真和代理模型优化，在焊接前即可获得满足稳定性要求的最优水冷参数组合，减少实物焊接试验和反复修正，大幅降低时间和经济成本，在抑制失稳和减小变形的同时，能够兼顾焊缝区热循环合理控制，保证焊接接头质量，从而提升薄板焊接结构的成形精度与尺寸稳定性。

34、（2）通过将第一焊接纵向收缩力与特征值相乘得到各屈曲模态的临界焊接纵向收缩力，并且利用整体刚度矩阵的特征值分析，将不同特征向量与不同焊接屈曲模态一一对应，实现焊接纵向收缩力与具体屈曲变形形态之间的精确关联，有助于识别主导失稳的屈曲模态，相比经验判断或简单安全系数方法。