[发明专利]船体外板的激光热成形变形预测方法和系统

说明书

本发明提供了一种船体外板的激光热成形变形预测方法和系统，包括：步骤1：建立关于热源参数及板件参数的工艺窗口；步骤2：基于工艺窗口进行多组热弹塑性有限元仿真并提取等效固有应变结果；步骤3：基于等效固有应变结果建立预测神经网络模型，泛化出工艺窗口中其它工艺参数下的等效固有应变结果；步骤4：将等效固有应变结果以各向异性热膨胀系数形式赋予给模型，作为模型的初始属性；步骤5：通过对模型施加单位温度载荷，保证计算获得的热应变分布的大小、方向与等效固有应变分布相同；步骤6：进行热弹性有限元仿真，得到材料的变形位移。本发明可以快速求解大尺寸板件、复杂路径的变形结果，实现了船体外板的全自动激光加热成型加工。

技术领域

本发明涉及船体外板的激光热成形加工技术领域，具体地，涉及一种船体外板的激光热成形变形预测方法和系统。

背景技术

船体外板是船舶主体结构的重要组成部分，其作用是保证船体的水密性、强度和刚度。对于一艘船舶，其中有相当一部分的船体外板需要进行曲面加工，而目前船体外板的曲面成形加工主要依靠手动加工，该过程已经成为了制约船舶工业自动化的一个瓶颈。由于船舶曲面件造型复杂、加工困难，如何实现船体外板曲面成形的自动化是如今国内外研究的热点。虽然各种曲面成形的方式已被广泛应用于加工制造中，但由于船体外板具有批量小、品种多和尺寸大等特点，船体外板加工仍是一个较为困难的加工过程。目前，船体外板曲面成形的方法主要分为机加工成形和轨迹热成形两大类。

机加工成形作为传统的曲面成形方法具有简单稳定、生产效率高的优点，目前主要的加工形式包括自重成形、滚压成形以及多点成形三种加工方法。自重成形是利用大型船体外板自身的重力作用而达到成形的目的，但仅有10％～15％的船体外板能够只使用自重成形方法达到加工效果；滚压成形方法利用辊状工具加工板件，使板件产生局部弯曲变形而形成目标曲面，但传统的滚压成形只能够加工柱面和锥面等简单曲面，而柔性滚压成形需要额外专用模具辅助才能加工复杂曲面件；多点成形是利用一组规则排布的点阵模具代替专用模具，通过调整点阵模具的高度位置实现不同曲面要求下的板件成形，但该方法会导致加工板件的表面出现压痕，对加工板件的表面质量产生影响。同时后两种加工方式都属于接触式加工，必须要考虑加工完成后的板件回弹问题对于加工效果的影响；除此之外，还需要考虑加工过程中是否会发生起皱等缺陷，从而导致板件加工不合格。以上这些问题都会对实际加工过程产生限制，从而制约了加工方式的应用范围。

轨迹加热成形是一种非接触式的无模成形方法，它利用局部加热的方式使部分材料发生塑性变形，从而实现复杂曲面的成形。根据使用热源的不同，主要分为火焰加热成形、感应加热成形以及激光加热成形，但工业生产中主要使用高频感应加热成形以及激光加热成形作为替代方法。相比于激光热成型，高频感应加热由于感应器的尺寸加大，导致能量分布区域较大，发生弯曲变形的区域也较大，故无法实现较为复杂的曲面成形。激光加热成型能够快速地调整光斑直径以适用各种曲面的成形要求，同时还能够集成其他多种加工方式，加工过程中板件内部温度梯度大、热影响区小且加热速度快，能够更加高效地进行加工；加工过程中无需进行水冷，加工的热效率高，更符合绿色制造的要求；加热过程中能够实现对输入能量以及温度的精确控制，同时还能够减少对材料性能的影响；能够制定精确的加工工艺规程，有利于产业自动化的发展，因此，激光更适合作为船体外板曲面成形的热源。

对于船体外板的激光加热成形，加工参数的选择是重要的一部分，加工成型的效果可通过热弹塑性有限元模型对其进行预测，但将其应用于计算大尺寸板件、复杂加工路径的加工变形效果时，存在适用范围小、计算时间慢等问题。故需要从变形机理出发，确定加工效果快速再现的准则和计算方法，为实际应用提供技术支持。

专利文献CN107766614A(申请号：CN201710829391.1)建立的仿真模型是针对材料表面激光喷丸工艺，本专利则是面对板材激光热成形弯曲变形工艺；该专利加工工艺不需考虑加工方向对固有应变的影响，而本发明考虑了加工轨迹为曲线时的固有应变计算方法。