水火弯板工艺力学.ppt

水火弯板的工艺力学 船舶水火弯板技术的应用和发展 船体曲面钢板水火加工成型工艺（也称“水火弯板”）是随着造船技术的不断革新和进步而后兴起的一种曲板热冷加工成型技术。由于这种钢板的尺寸大（板长10m以上，板宽3m），厚度变化大（几毫米到三十几毫米），影响钢板局部变形的因素多（加热线长度、火焰移动速度、加热线距离、冷却方法、钢板的材质、热源的变化等），因此说，水火弯板是造船生产中技术性强、难度大、最具特色的一种经验性的加工方法。目前不仅中国，就是世界上主要造船国家这项加工还都停留在由有经验的熟练工人手工操作完成的技术水平上，此项工艺过程对经验和手艺依赖性极大，效率低、成本高、质量不稳。 水火弯板的经验性显得非常重要，随着有经验工人的老龄化，而青年工人在短时期内还难以掌握这项加工技术，水火弯板加工已成为影响造船速度和质量的一个瓶颈。 缩短建造周期、降低造船成本、转换造船模式、提高造船质量是造船厂在国际竞争中取胜的重要保证，而单凭手工操作经验来完成复杂的工艺过程，无论在速度上还是在质量上都远远满足不了现代化造船生产的需要。 在造船厂努力实现钢板弯曲自动化工程中，弄清水火弯板加工机理是非常重要的，为达到曲面钢板自动加工成型这个目标，必须明白在钢板局部加热过程中复杂的热弹塑性变化过程。 基于以上原因，必须要开发船体曲面钢板水火加工成型自动化系统。 目前国内从事这方面工作（20世纪80年代）的主要有：大连理工大学和大连造船厂，上海交通大学和广船国际，哈尔滨工业大学等单位。 国际上（20世纪50年代）日本东京大学开发了旨在对青年工人技术培训的水火弯板计算机模拟系统，大阪大学开发了水火弯板计算机辅助设计系统。. 本章注重定性的分析，定量分析少（热弹塑性—有限元模拟为主） 水火弯板的工艺方法和特点 水火弯板也称为线状加热冷却成型（line heat forming），是利用金属板局部受高温冷却后产生的局部热弹塑性收缩变形而达到整体弯曲成型等工艺。局部高温通常由氧乙炔焰或激光热源、高频热源等在金属表面加热来获得，冷却过程可以分为正面水冷（横向收缩大，角变形小，适用于收边加热方法）、背面水冷（横向收缩和角变形都大，高效的火焰成型方法）和空冷（对成型效果不大）等。 水火弯板只适用于曲率较小的构件成型，更多的是与滚压相结合用来加工具有双重弯曲的复杂形状的构件。 根据加热方式分类有带形加热和点状加热。 水火弯板的工艺主要有：烤嘴的选择，加热温度和加热速度，冷却方式。 水冷是用水强迫冷却已加热部分的金属，使其迅速冷却，减少热量向背面传递，扩大了正反面的温度差，而提高成型效果。 空冷是在火焰局部加热后，工件在空气中自然冷却的工艺过程。 水火弯板的工艺过程： 通过对曲面板整体形状的观察，首先估算出各部分所需的收缩量； 然后再进一步考虑如何布置加热线，确定其他工艺参数； 加工过程中，根据总体变形情况，修改工艺参数； 对于常见形状的曲面板，成功率和加工效率比较高； 曲面复杂时，要反复思考，经过几遍加工才能完成。 加热线布置示意图（箭头方向为加热线方向）a、b、c、d分别为柱面板、球面板、帆形板、鞍形板 从水火弯板工艺相反的角度观察，由曲板展开后的形状可知，如要获得设计的曲面，只要将展开后的裂缝处两边全部连接起来，也就是是裂缝消失才可以达到要求。这样，可以确定金属板局部受高温冷却后会产生的局部弹塑性收缩变形量，为不可展曲面金属板的成型提供了可行的方法。 这些裂缝的宽度就是设计的曲面板所要求的必须的局部收缩量，也就是说，通过火焰的局部加热和冷却的工艺工程，使被加工的金属板局部收缩到所必须的变形量。 常见船体曲面展开后形状（柱面板和球面板） 水火弯板工艺的复杂性体现在 影响金属板局部收缩变形的参数较多，如火焰的移动速度、加热线的长度、加热线的距离、板的几何尺寸、冷却方法、火焰的功率、喷嘴尺寸、喷嘴离板表面的距离、金属板材质、气温、加工钢板的边界支撑条件等。 由于钢板局部热弹塑性变形机理复杂，所以加工过程中的热交换条件（包括现场温度变化、环境因素、天气因素）等难以准确模拟。 水火弯板的力学研究方法 水火弯板的工艺过程是金属板局部的瞬态热弹塑性变形过程，而且影响金属板局部瞬态温度场的因素也比较多（其中一些因素难以确定），所以导致金属板的局部变形比较复杂。 第一步：定性研究。根据金属板的材质和强度要求，限定金属表面的最高温度（美国航运局确定水火弯板加热温度的限制标准—最高温度应控制在650摄氏度）；根据不同加热线形状，确定较好的冷却方法；研究主要工艺参数对成型效果的影响规律。 主要是在实验室中通过实验开展研究，定性找出不同加工方法对变形的影响规律，制定工艺规程，规定某些工艺参数的应用范围。 第二步：对水火弯板加工过程中工艺参数影响变形参数的定量分析。水火弯