基于后處理再造型的連續(xù)制造工藝過程仿真技術(shù)

胡廣旭　孟梅　劉冰

摘要：制造工藝仿真技術(shù)目前僅應(yīng)用于單點工藝分析，缺乏在連續(xù)工藝實施中考慮應(yīng)力和變形等變化對前后工序的影響，不能實現(xiàn)連續(xù)的制造工藝仿真，因此提出一種基于后處理再造型（Post-Processing Re-Modeling，PPRM）的仿真技術(shù).該技術(shù)利用前道工序仿真結(jié)果的后處理數(shù)據(jù)重構(gòu)后道工序的仿真模型，從而可以系統(tǒng)、連貫地考慮各制造階段的工藝變形、應(yīng)力和應(yīng)變等，實現(xiàn)連續(xù)制造工藝過程仿真.將這項技術(shù)應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)部件裝焊變形的仿真計算中，計算多個零件連續(xù)裝焊工藝過程的焊接變形積累，從而預(yù)測并監(jiān)控多道裝焊工藝前后工序之間的互相影響干涉.該技術(shù)在船體制造中的肋板彎曲工藝、分段堆放和分段吊裝等工藝中應(yīng)用前景較好.

關(guān)鍵詞：制造工藝仿真； 熱彈塑性有限元； 船體結(jié)構(gòu)； 焊接變形； 船舶制造； 分段吊裝

中圖分類號： TH164；TG404

文獻標(biāo)志碼：B

Abstract：The current manufacturing process simulation technology is only applied in single point process analysis without considering the effect of the change of stress and deformation on former and later processes in the implementation of continuous process， so the continuous manufacturing process can not be implemented. Hence， a simulation technology is proposed on the basis of Post-Processing Re-Modeling（PPRM）. With the technology， the post-processing data of former process simulation is used to re-model the subsequent process， and the process deformation， stress and strain in each manufacturing stage can be systematically and continuously considered and the contiuous manufacturing process simulation can be implemented. The technology is applied in the simulation and calculation of welding deformation of components of ship hull structure， and the welding deformation accumulation are calculated in the continuous welding process of multi-components， and the mutual interference before and after the process of multi-welding steps is predicted and monitored. The application prospect of the technology is good for ship hull manufacturing processes such as rib bending， block laying， block lifting， and so on.

Key words：manufacture process simulation； thermal-elastic-plastic finite element； ship hull structure； welding deformation； shipbuilding； block lifting

0引言

在大型工業(yè)產(chǎn)品，如飛機及船舶與海洋工程裝備等大型結(jié)構(gòu)的制造過程中，從材料切割到最終成品，往往歷經(jīng)多道制造工藝.在每道工藝操作中，設(shè)備都會因工藝設(shè)備操作時產(chǎn)生的物理或化學(xué)作用而引起變形、內(nèi)應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變和裂紋等，影響產(chǎn)品制造精度和疲勞壽命.制造質(zhì)量是決定產(chǎn)品能否滿足用戶需求的關(guān)鍵.不論多么優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計，如果缺少優(yōu)質(zhì)的制造工藝，都難以成為優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品.

針對制造工藝質(zhì)量問題，很多研究均采用制造工藝仿真技術(shù)，在工藝設(shè)計之初進行計算、預(yù)測和分析，一方面提前預(yù)判工藝實施方案、優(yōu)化工藝參數(shù)，另一方面可以提前準(zhǔn)備修補方案.目前，制造工藝仿真技術(shù)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括熱處理、鑄造、焊接、沖壓和冷彎加工等.[1-5]

工藝仿真技術(shù)主要應(yīng)用于單點工藝仿真計算，僅有少數(shù)研究在焊接工藝仿真后進行焊后熱處理仿真，且這些仿真技術(shù)僅限于幾何模型不變的情況.[6-8]因此，目前仍缺乏產(chǎn)品制造全過程的仿真研究，如在船體外板制造過程中，冷彎加工后的鋼材內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形和應(yīng)力，這些材料變化對后序水火彎板工藝或焊接裝配工藝的影響很難用單點工藝仿真進行預(yù)測分析.由于缺少多道連續(xù)工序的仿真技術(shù)手段，導(dǎo)致前道工序的變形、應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變等缺陷很難在后道工序中考慮到，使得工藝仿真計算脫離實際制造過程.

針對上述問題，提出一種基于后處理再造型（Post-Processing Re-Modeling， PPRM）的仿真技術(shù)，利用該技術(shù)可實現(xiàn)連續(xù)工藝仿真，從而可以考慮連續(xù)工藝各階段缺陷的積累.

1PPRM仿真技術(shù)

在多道連續(xù)工序的仿真計算中，利用前一道工序的仿真后處理數(shù)據(jù)重構(gòu)后一道工序的仿真模型，從而在后道工序仿真計算中考慮前道工序的工藝影響，以達到全過程的仿真計算目的，即為PPRM技術(shù)，其具體實現(xiàn)流程見圖1.首先在前道工序建模過程中分別導(dǎo)出幾何或有限元網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)，之后定義前道工序初始條件和邊界條件，進行仿真計算.在計算完畢后，采用后處理開發(fā)技術(shù)輸出仿真后處理結(jié)果數(shù)據(jù)，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模板幾何或網(wǎng)格進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進一步與前道工序標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)疊加和重構(gòu)，實現(xiàn)幾何或網(wǎng)格再造型，獲得再造型模型.以此為基礎(chǔ)，在后道工序中加載再造型模型的仿真邊界條件，同時導(dǎo)入前道工序的物理場后處理數(shù)據(jù)結(jié)果，實現(xiàn)PPRM技術(shù)全過程.反復(fù)按照PPRM技術(shù)流程建立連續(xù)工藝過程仿真模型，最終實現(xiàn)全過程連續(xù)工藝仿真.

實現(xiàn)PPRM技術(shù)有以下要點.

1）PPRM規(guī)劃.針對不同的制造工藝仿真問題，PPRM關(guān)注的重點不同，所需的后處理數(shù)據(jù)也不同，例如：研究制造精度時往往著重于變形數(shù)據(jù)再造，研究產(chǎn)品制造對強度的影響時則更關(guān)注制造應(yīng)力和應(yīng)變甚至裂紋等缺陷，研究熱加工情況下的金屬性能變化時則需模擬加工過程中組織的變化.在確定研究關(guān)鍵點后即可規(guī)劃PPRM技術(shù)提取的后處理數(shù)據(jù)，確定模型重構(gòu)所需算法.

2）標(biāo)準(zhǔn)模板幾何或網(wǎng)格的數(shù)據(jù)操作技術(shù).目前造型和仿真軟件大多采用國外商用軟件，其模型數(shù)據(jù)格式各異.為實現(xiàn)PPRM技術(shù)，首先將各種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)格式（如iges，stp和inp等），然后基于標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)格式開發(fā)數(shù)據(jù)操作模塊.針對不同的模板數(shù)據(jù)類型，采用的開發(fā)函數(shù)不同，可根據(jù)具體需要進行選取.

3）后處理結(jié)果數(shù)據(jù)自動輸出技術(shù).在有限元仿真計算中，輸出結(jié)果數(shù)據(jù)以單元或節(jié)點為基本數(shù)據(jù)存儲單元，由于仿真計算網(wǎng)格數(shù)據(jù)量巨大，因此難以手動輸出.目前，國外商用仿真計算軟件一般提供相應(yīng)后處理二次開發(fā)語言和開發(fā)函數(shù)庫，可按照需求靈活地開發(fā)自動數(shù)據(jù)輸出功能.較為常用的后處理語言有Python和C等.

4）后處理數(shù)據(jù)與再造型模型數(shù)據(jù)交互技術(shù).實施PPRM的模型再造過程是利用仿真結(jié)果后處理數(shù)據(jù)對初始模型數(shù)據(jù)進行疊加、修改和重構(gòu)的交互過程，涉及有限元節(jié)點的幾何、力學(xué)和物理場等信息加載，具體包括后處理數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)格式識別以及后處理數(shù)據(jù)添加和替換等操作程序，可依據(jù)仿真后處理數(shù)據(jù)類型和存儲格式開發(fā)對應(yīng)的數(shù)據(jù)交互功能.

2PPRM技術(shù)仿真實例

由于PPRM技術(shù)的應(yīng)用不局限于某種特定工藝的仿真計算，本文將該技術(shù)應(yīng)用于船體某部件上多個肋板的連續(xù)裝焊仿真中，通過仿真觀察前道肋板裝焊后產(chǎn)生的變形對后道肋板裝焊的影響.

2.1多肋板船體部件焊接變形的PPRM建模

焊接變形是影響船體結(jié)構(gòu)制造精度的關(guān)鍵因素之一.采用PPRM技術(shù)預(yù)測船體某部件肋板裝焊變形過程，明確每條肋板焊接對結(jié)構(gòu)的影響，揭示焊接變形積累過程，輔助研究設(shè)計精度控制對策.

某船體外板結(jié)構(gòu)模型見圖2.圖2中虛線為部件與曲面外板連接的裝配線.該裝配線制造精度直接影響其后續(xù)與外板的裝配，因此通過仿真揭示肋板裝焊過程引起的裝配線上的變形.

在部件現(xiàn)場裝焊過程中，為避免操作空間干涉，肋板按照一定順序裝焊（見圖3），依次為Rib1，Rib2，Rib3和Rib4，具體仿真計算時在每條肋板裝焊變形仿真后均進行PPRM.圖3位移提取點D1， D2， D3， D4和D5均為裝配線上的節(jié)點.由于本例主要關(guān)注裝焊精度，因此在PPRM技術(shù)應(yīng)用中輸出標(biāo)準(zhǔn)模板三維幾何或網(wǎng)格數(shù)據(jù)，此處選取inp網(wǎng)格模板文件.由于肋板間距較遠(yuǎn)，可忽略應(yīng)力的相互影響，后處理主要提取空間位移作為模型重構(gòu)數(shù)據(jù)，與初始模型的inp網(wǎng)格模板文件進行數(shù)據(jù)交互，重構(gòu)其數(shù)據(jù)實現(xiàn)再造型，然后在再造型模型上建立預(yù)裝焊的肋板模型，如此反復(fù)循環(huán)，最終完成所有肋板裝焊仿真計算.具體流程見圖4.

先進行初始肋板裝焊的幾何和網(wǎng)格建模，即Ribn，輸出標(biāo)準(zhǔn)模板網(wǎng)格數(shù)據(jù)，同時加載初始條件和邊界條件，完成Ribn的焊接變形仿真計算.進一步提取Ribn焊接仿真產(chǎn)生的變形位移信息，輸出并與Ribn標(biāo)準(zhǔn)模板進行數(shù)據(jù)交互，從而將Ribn產(chǎn)生的焊接變形數(shù)據(jù)重構(gòu)至后道工序Ribn+1網(wǎng)格模型中，使Ribn+1仿真模型考慮Ribn的殘余焊接變形.如此循環(huán)就可實現(xiàn)連續(xù)工序焊接過程的集成仿真.

2.2三維焊接變形有限元模型

變形仿真主要采用熱彈塑性有限元理論[9]，船體部件三維有限元模型見圖5，采用全六面體網(wǎng)格，且應(yīng)用過渡網(wǎng)格技術(shù)控制網(wǎng)格數(shù)量.焊接熱源模型采用雙橢球熱源模型模擬CO2氣體保護焊[10]，材料為C15鋼，材料參數(shù)隨溫度變化見文獻[11]，熱交換采用空氣對流邊界條件.

2.3全裝焊過程仿真結(jié)果

有效顯示為焊接溫度場結(jié)果，采用后處理技術(shù)將超過2 000 ℃的部分統(tǒng)一歸為熔化金屬.肋板Rib1和Rib4焊接瞬態(tài)溫度場仿真結(jié)果見圖6.

再造型前后網(wǎng)格模型對比見圖7，可清晰地觀察到由焊接工藝引起的結(jié)構(gòu)變形.

由圖8可知，每條肋板焊后都引起肋板附近區(qū)域的變形，尤其是在裝配線上.一方面裝配線邊緣缺少約束，自由變形較大；另一方面由于肋板的焊縫端部距離邊緣裝配線較近，導(dǎo)致變形較大.肋板Rib1，

Rib2，Rib3和Rib4焊后的再造型模型與初始模型在相同位置節(jié)點位移差值見表1.通過相同節(jié)點在不同肋板裝焊階段的位移差值可以觀察全過程變形的積累.Rib4焊后差值是所有肋板焊接變形的最終積累結(jié)果，即為最終變形.由圖3可知，Rib1，Rib2和Rib3方向趨近于與裝配線垂直，其肋板端部與邊緣接近，且焊縫較長，導(dǎo)致焊后變形較大.由表1可知，Rib1，Rib2和Rib3焊后分別在焊縫較近的D2，D4和D3節(jié)點位移較大，而Rib4焊縫由于距離裝配線邊緣較遠(yuǎn)且焊縫較短，其焊后變形較小，幾乎不影響節(jié)點位移.

基于PPRM技術(shù)實現(xiàn)焊接變形仿真，考慮前道裝焊變形對后道裝焊的影響，使制造工藝仿真更接近現(xiàn)場工藝實施操作，有助于焊接變形控制方案的制定.

3PPRM在船舶制造領(lǐng)域應(yīng)用探討

船舶制造過程包括多個工序環(huán)節(jié)，例如在將鋼板制成船體曲面外板過程中，需經(jīng)過預(yù)處理、等離子切割、初步冷彎成型、水火彎板成型和肋板裝焊等過程.在各工序?qū)嵤┻^程中，不可避免地會產(chǎn)生熱變形、應(yīng)力集中、精度偏差和材質(zhì)缺陷等，這些缺陷會影響后道工序的成型和裝配等，影響產(chǎn)品整體質(zhì)量.探索采用基于PPRM技術(shù)的集成仿真技術(shù)監(jiān)控、預(yù)測和發(fā)現(xiàn)全過程工藝缺陷，進而輔助工藝方案制定和實施，提高工藝水平.PPRM技術(shù)在船舶制造工藝仿真中的應(yīng)用方向主要包括以下方面：

1）考慮初始缺陷的船體結(jié)構(gòu)強度計算.目前，船體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計中大多采用理想三維模型進行校核計算，而實際船舶產(chǎn)品由于各階段建造工藝產(chǎn)生的缺陷，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在大范圍的殘余應(yīng)力集中，這些應(yīng)力缺陷在強度計算模型中缺乏考慮，難以保證設(shè)計強度和疲勞的有效性.[9]采用PPRM技術(shù)，通過應(yīng)力后處理數(shù)據(jù)進行模型重構(gòu)，將全工藝過程應(yīng)力考慮到船體結(jié)構(gòu)模型中，有助于提高強度計算的有效性.

2）分段堆放與分段吊裝工藝變形連續(xù)計算.船體分段建造完畢，往往堆放在分段堆場等待后續(xù)吊裝和總組.由于分段質(zhì)量一般為幾十至幾百噸，且體積大，在其堆放過程中由于重力產(chǎn)生的變形較大；在吊裝過程中同樣產(chǎn)生明顯的重力變形，影響制造精度和后續(xù)總組裝焊工藝實施.采用PPRM技術(shù)，首先進行分段堆放重力變形仿真計算，然后利用變形后處理數(shù)據(jù)進行模型重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立吊裝變形仿真計算模型，最終實現(xiàn)分段堆放和吊裝工藝的連續(xù)變形計算，預(yù)測連續(xù)工藝變形，輔助工藝方案制定，提前探索避免變形的工藝措施，保障后序分段總組裝焊工藝順利實施.

3）大型船體分段結(jié)構(gòu)裝焊的熱彈塑性仿真計算.由于船體結(jié)構(gòu)較大，采用熱彈塑性有限元法計算焊接變形時網(wǎng)格數(shù)量多、計算量巨大，難以一次實現(xiàn)分段結(jié)構(gòu)的焊接熱彈塑性計算.[12]采用PPRM技術(shù)，在建模仿真過程中對當(dāng)前焊接工序的焊縫附近網(wǎng)格進行網(wǎng)格細(xì)化，對后續(xù)工序的焊縫網(wǎng)格可粗化處理或忽略；而在后續(xù)焊縫仿真階段，可將之前仿真完畢的焊縫附近網(wǎng)格粗化，進而減少各工序的計算網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算周期，保證大型結(jié)構(gòu)計算仿真的實現(xiàn).采用該方法，一方面可以按照焊接工序分階段建立大型船體結(jié)構(gòu)的焊接仿真模型，大量減少單個仿真階段的網(wǎng)格數(shù)量，保證計算順利實施；另一方面可以考慮前道焊接工序?qū)笮蜓b焊工藝的影響，實現(xiàn)大型船體分段裝焊的全過程仿真，有利于分析結(jié)構(gòu)全過程裝焊的應(yīng)力變形狀態(tài).

4結(jié)束語

提出一種可用于連續(xù)工藝過程集成仿真的PPRM技術(shù)，用于預(yù)測連續(xù)工藝中前道工序?qū)嵤蟮拦ば虻挠绊?，輔助工作人員在工序制定時從全過程工藝角度考慮方案，有助于提高制造工藝水平.

通過PPRM技術(shù)實例應(yīng)用，實現(xiàn)基于熱彈塑性理論的連續(xù)瞬態(tài)焊接工藝變形仿真，得到連續(xù)工藝變形積累結(jié)果.結(jié)果表明由于結(jié)構(gòu)肋板距離部件裝配線邊緣較近，邊緣引起的焊接變形明顯.

針對船舶制造工藝特征，探討PPRM技術(shù)在船體制造領(lǐng)域地應(yīng)用前景，明確該技術(shù)在船舶制造工藝中的應(yīng)用主研究方向，有助于進一步深入研究PPRM.

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（編輯武曉英）