船体钢板切割温度场有限元数值模拟探究.doc

船体钢板切割温度场有限元数值模拟探究摘 要:为了探究船体钢板切割温度场的有限元数值模拟,在分析了钢板切割温度场的基本理论的基础上,通过几何模型建立,网格尺寸的划分,材料特性,基于生死单元的热源模型,载荷和边界条件的具体分析,建立了钢板切割的温度场的有限元模型。经过初步计算,证明了数值模型的可行性,并初步得出了一些基本规律 关键词:船体钢板;有限元;切割;生死单元;温度场 中图分类号:U6;TG4 文献标志码:A文章编号:1671?7953(2009)04?0011?03 The Research on the Finite Element Numerical Simulation of Temperature Field About the Cutting of the Hull Plate GAO Fei,HUANG Hao (School of Naval Architecture Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China) Abstract: In order to research into finite element numerical simulation of temperature field about the cutting of the hull steel,on the basis of the analysis of the basic theory about the steel cutting of the temperature field,through the establishment of the geometric model,the division of mesh size,material properties and so on,based on life and death of the heat unit model,load and analysis of the specific boundary conditions,the temperature field finite element model of plate cutting is established. After a preliminary calculating,it proves the feasibility of a numerical model and gets some preliminary basic regulations. Key words: hull plate;finite element;cutting;life and death of unit;temperature field 在船舶建造与修理的过程中,有时需要在船体结构上开孔切割,如旧船改造时,为方便设备或工作人员出入舱室,经常需要进行甲板、舱壁的临时开孔,另外,进坞维修的船舶,船体外板腐蚀破损,需对船体外板进行切割换板。所有这些都需要在现场进行大量切割工作,我国船厂所用工艺一般是气体火焰切割 切割作为焊接生产的第一道加工工序,切割的效率、质量和成本将直接影响整体焊接工程结构的效率、质量和成本。切割变形和残余应力会在外载作用下会引起局部应力集中和附加应力,降低结构的承载能力,使组装件的装配质量下降,导致制造成本上升,生产环境恶化。基于Ansys的有限元数值模拟方法是现在研究工程问题很常见的一种研究方法,下面就对有限元法研究切割过程中的关键点:温度场的数值模拟展开探究 1 切割的基本理论 1.1 气体切割的原理介绍 最常用的气体火焰切割是氧-乙炔火焰切割,氧气切割(气割)是根据高温金属在氧气中能剧烈燃烧的原理,利用割炬喷射高压氧气进行切割的。气割时,先用氧-乙炔焰将金属预热至燃点(碳钢为1100-1150℃),然后喷射高压氧气流使金属燃烧,形成氧化熔渣被氧气吹走[1]。随着割炬的均匀移动,工件被割出平整的切口,如图1所示: 气割具有设备简单、成本低、生产率较高、可切割形状复杂和厚壁零件等特点,因此在船厂广泛的应用,但只适用于切割低碳铜、低合金钢 钢材氧气切割时铁与氧的反应有以下几种形式: Fe+0.5O?2?FeO+267.8kJ2Fe+1.5O?2?Fe?2O?3+823.2kJ3Fe+2O ?2?Fe?3O?4+1120.5kJ 通常认为,氧气切割的热源乃是铁――氧反应热。这就是说,气割的热源来自被切割材料本身。但也有资料认为,预热火焰的热量也起作用,并指出,在正常气割的条件下,氧化反应热与预热火焰热量所占的比重随所切割钢材的厚度而异[2]