1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院 廣州 510006 2.洛陽鐵路信息工程學(xué)校 河南洛陽 471934

1 研究背景

在船舶工業(yè)領(lǐng)域,大曲率復(fù)雜外板成型是加工環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。目前,國內(nèi)外船廠主要采用水火彎板成型工藝來對船體外板進行加工[1-3]。水火彎板成型工藝指采用燃氣火焰在鋼板表面局部進行線狀加熱,當(dāng)加熱區(qū)達到一定溫度后,再用水或空氣進行冷卻,利用鋼板的熱彈塑性收縮變形原理,獲得良好的整體變形。水火彎板成型原理如圖1所示。

由于影響成型的因素較多,包括板材形狀參數(shù)、加工參數(shù)、熱源類型、邊界條件、冷卻方式等,使水火彎板成型通常依賴經(jīng)驗豐富的工人手工進行,如圖2所示。

圖1 水火彎板成型原理

水火彎板成型這種依賴于工人經(jīng)驗的加工工藝,存在生產(chǎn)效率低、加工時間長、質(zhì)量波動大、精度難以控制等缺點。在數(shù)字化造船、工業(yè)4.0和中國制造2025的大背景下,各船廠對水火彎板成型工藝實現(xiàn)自動化的需求變得越來越強烈。

圖2 水火彎板成型工藝現(xiàn)場

2 水火彎板機器人

文獻[4]研發(fā)完成的第三代水火彎板機器人,實現(xiàn)了水火彎板成型工藝的過程全自動化,解決了生產(chǎn)效率低及疲憊作業(yè)問題。第三代水火彎板機器人的最大特點是控制系統(tǒng)長期工作穩(wěn)定可靠,具有焰道修正和專家系統(tǒng)規(guī)劃功能。第三代水火彎板機器人全面模擬人工加工時的各種關(guān)節(jié)活動姿態(tài),通過五軸三維聯(lián)動控制,實現(xiàn)對復(fù)雜板形進行理想加工。水火彎板機器人結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 水火彎板機器人結(jié)構(gòu)

3 水火彎板成型原理分析

水火彎板成型是一種應(yīng)力應(yīng)變物理過程,對加熱后的鋼板進行冷卻,使其產(chǎn)生收縮應(yīng)力,當(dāng)收縮應(yīng)力大于鋼板的屈服應(yīng)力時,產(chǎn)生變形。分析水火彎板成型原理,需要建立水火彎板成型的溫度場模型和變形場模型。

3.1 溫度場模型

水火彎板成型溫度場模型可分為兩部分:燃氣熱源熱流密度數(shù)學(xué)模型、熱傳導(dǎo)溫度場數(shù)學(xué)模型。在水火彎板成型過程中,燃氣對鋼板進行射流火焰加熱。單位時間內(nèi)在船體外板單位橫截面積上的熱量值,即為鋼板的熱流密度q″:

q″=QchAη

(1)

式中:Qch為鋼板機火槍噴射出的燃氣流量;A為燃氣鋼燃燒值;η為熱工效率。

待加熱鋼板的熱流密度分布曲線與正態(tài)分布形狀接近,也稱為高斯熱流密度分布[5-6]。鋼板的熱流密度分布如圖4所示。

圖4 鋼板熱流密度分布

加熱鋼板時,各點熱量分布是不同的。某點在單位時間內(nèi)吸收的熱量q為:

(2)

式中:r0為火焰加熱半徑;r為待加熱點與火焰加熱中心的距離。

在水火彎板成型加工過程中,熱傳導(dǎo)溫度場是一個復(fù)雜變化的量,具有非線性和暫態(tài)特性。水火彎板成型熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型為:

(3)

式中:ρ為鋼材的密度;c為鋼材的比熱;λ為鋼材的導(dǎo)熱系數(shù);T為鋼板的溫度;t為時間。

對式(3)進行求解時,首先需要確定鋼板溫度場邊界條件,也就是某一時刻鋼板溫度場的分布情況,這樣才可以求出水火彎板成型熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型的唯一解。

結(jié)合水火彎板成型實際加工場景,分析鋼板的溫度場邊界條件。

(1) 鋼板邊界上的熱流量密度已知時,有

(4)

式中:n為邊界表面上的外法線方向。

由式(4)可見,鋼板熱量q的影響因素除坐標位置x、y、z外 ,還有時間變量t。

(2) 鋼板在邊界上與周邊介質(zhì)存在熱量交換,當(dāng)熱量交換值已知時,有:

(5)

式中:φ為鋼板表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);Ts為鋼板表面溫度;T0為鋼板周邊環(huán)境溫度。

(3) 水火彎板成型的初始條件為在水火彎板成型的開始時刻,鋼板溫度場是均勻的,有:

T(x,y,z,0)=T0

(6)

3.2 變形場模型

水火彎板成型采用燃氣火焰在鋼板表面局部進行線狀加熱,被加熱部分溫度上升,由于受到周邊鋼板約束不能自由熱變形,在加熱附近區(qū)域會產(chǎn)生熱應(yīng)力[7-8]。當(dāng)溫度繼續(xù)升高,被加熱鋼板進入屈服階段時,熱應(yīng)力進入塑性變形狀態(tài)[9-10]。需要運用塑性變形理論進行分析,鋼板塑性變形方程為:

(7)

式中:σ0為鋼板平均正應(yīng)力;K為鋼板體積變形彈性模量;α為鋼板熱膨脹系數(shù);ΔT為鋼板溫度變化量;εx、εy、εz為被加熱鋼板變形量達到屈服極限時在坐標軸三個方向的增大值;σx、σy、σz為三個方向上的應(yīng)力分量。

鋼板進入塑性變形階段時,其應(yīng)力和應(yīng)變之間呈現(xiàn)非線性關(guān)系,且塑性變形不可恢復(fù),通過增量理論求解應(yīng)力和應(yīng)變[9-10]。鋼板總應(yīng)變偏量增量為:

(8)

式中:G為鋼板的剪切模量。

水火彎板成型變形場模型仿真時,采用有限元分析方法模擬水火彎板成型過程,定量分析溫度場所引起的應(yīng)變場分布規(guī)律。

4 仿真分析

在有限元分析軟件中建立鋼板和熱源的模型，通過有限元分析軟件計算鋼板的溫度場和應(yīng)變場分布情況,根據(jù)模擬結(jié)果建立加工參數(shù)與變形量之間的關(guān)系模型。

使用軟件進行幾何建模前,需要先設(shè)定鋼材不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、泊松比、膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服應(yīng)力等參數(shù)。仿真分析中,筆者所選用的船舶外板材料為低碳鋼,不同溫度下力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 低碳鋼力學(xué)性能參數(shù)

設(shè)定鋼材的材料參數(shù)后,通過ANSYS軟件對鋼板的幾何模型進行有限元網(wǎng)格劃分和模型求解。應(yīng)用間接分析法,先進行溫度場分析,然后將求得的節(jié)點溫度作為載荷施加至結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中,最后求得鋼板的應(yīng)變場分布。

溫度場分析的具體步驟如下:

(1) 建立鋼板的幾何模型,對材料區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,如圖5所示;

(2) 建立高斯熱源模型;

(3) 施加熱源和邊界條件至鋼板幾何模型;

(4) 對鋼板幾何模型進行求解,得到溫度場分布,如圖6所示。

圖5 鋼板幾何模型

圖6 鋼板溫度場分布

溫度場分析結(jié)束后,對應(yīng)變場進行分析,具體步驟如下:

(1) 對單元進行轉(zhuǎn)換;

(2) 設(shè)置單元類型和材料性能,如彈性模量、比熱容、熱膨脹系數(shù)等;

(3) 將溫度場分析得到的節(jié)點溫度作為加載量;

(4) 將環(huán)境溫度設(shè)置為計算熱應(yīng)力的參考溫度;

(5) 對鋼板幾何模型進行求解,得到應(yīng)變場分布,如圖7所示。

通過ANSYS軟件仿真可知,水火彎板成型的變形量與加工時鋼板上的溫度場變化情況直接相關(guān),溫度場變化量和變化范圍越大,焰道附近的收縮量越大,鋼板厚度方向上的溫度場梯度變化量就越大,焰道附近的角變形量也就越大。

5 專家知識庫

在進行水火彎板成型過程中,鋼板的變形量分為橫向收縮量和角變形量兩種。鋼板的變形量與鋼板板厚、焰道長度、加熱火槍移動速度等參數(shù)有關(guān)。通過固定某些加工參數(shù),改變其余加工參數(shù),進行多次試驗,得到工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線。鋼板厚度26 mm、焰道長度120 cm時加熱火槍移動速度與鋼板收縮量經(jīng)驗回歸曲線如圖8所示,鋼板厚度26 mm、焰道長度120 cm時加熱火槍移動速度與鋼板角變形量經(jīng)驗回歸曲線如圖9所示,其中藍色曲線代表水冷,黑色曲線代表空氣冷卻。

圖8 加熱火槍移動速度與鋼板收縮量經(jīng)驗回歸曲線

建立水火彎板成型工藝參數(shù)專家知識庫,采用關(guān)系數(shù)據(jù)表的形式存儲不同工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線,存儲模型如圖10所示,其中ΔB為鋼板收縮量,V為加熱火槍移動速度。

在工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線存儲模型基礎(chǔ)上,建立專家焰道推理機制,以船體外板類型、成型情況作為依據(jù),規(guī)劃出水火彎板成型的三維路徑。常見焰道軌跡推理過程如圖11所示。

根據(jù)工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線存儲模型,結(jié)合技工經(jīng)驗知識,建立焰道走向推理流程,如圖12所示。

圖9 加熱火槍移動速度與鋼板角變形量經(jīng)驗回歸曲線

權(quán)值計算指通過對當(dāng)前橫向、縱向和扭向的總體成型率進行加權(quán),使每次加工時均為先加工成型率較低、目標變形量最大的方向。

焰道參數(shù)推理流程如圖13所示。邊距參數(shù)推理指根據(jù)焰道的走向和板型,推算出焰道軌跡與檢測曲面左右邊界及上下邊界的距離,焰道間距推理指根據(jù)偏差情況和專家規(guī)則,推算出相鄰焰道之間的距離,傾斜角度推理指根據(jù)焰道的走向和偏差云圖來確定每條焰道與x軸之間的夾角,橫向焰道的傾斜角度為0°,縱向焰道的傾斜角度為90°,扭向焰道的傾斜角度在-90°～90°之間。

根據(jù)焰道參數(shù)、焰道走向和板型,在檢測曲面上生成焰道軌跡。具體過程為,先根據(jù)據(jù)焰道參數(shù)生成焰道軌跡的x軸、y軸坐標,然后利用曲面插值算法在檢測曲面上確定相同x軸、y軸坐標下的z軸坐標,最后將每條焰道上各點的坐標連接起來,生成焰道軌跡,如圖14所示。

圖10 工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線存儲模型

圖11 焰道軌跡推理流程

對于不同工藝參數(shù)經(jīng)驗回歸曲線存儲模型,按照船體外板類型和型號進行數(shù)據(jù)歸類,通過樹狀模型對工藝參數(shù)進行管理,形成專家知識庫,如圖15所示。專家知識庫分為四層,頂層為船體型號,中間層為主要板型和外板編號,下層為工藝參數(shù)。

根據(jù)水火彎板成型特點,結(jié)合專家知識庫,對目標鋼板進行成型預(yù)估計。將成型預(yù)估計文件導(dǎo)入Tribon設(shè)計軟件,生成控制系統(tǒng)文件。通過工控計算機系統(tǒng)執(zhí)行上述控制系統(tǒng)文件,由水火彎板機器人對船體外板實現(xiàn)合理規(guī)劃和自動化加工。在某船廠生產(chǎn)車間,基于專家知識庫,通過第三代水火彎板機器人進行現(xiàn)場加工試驗。現(xiàn)場加工試驗板材為A5000T-BG10-M帆形板,水火彎板成型效果良好?，F(xiàn)場加工試驗如圖16所示。

圖12 焰道走向推理流程

圖13 焰道參數(shù)推理流程

6 結(jié)束語

筆者對水火彎板成型技術(shù)進行了研究,分析了水火彎板成型原理,建立了水火彎板成型過程的溫度場和應(yīng)變場數(shù)學(xué)模型,采用ANSYS有限元分析軟件對數(shù)學(xué)模型進行模擬和驗證。在此基礎(chǔ)上,制訂出水火彎板成型工藝參數(shù),進而建立專家知識庫,對水火彎板機器人加工實現(xiàn)合理規(guī)劃。對水火彎板機器人進行了現(xiàn)場加工試驗,試驗結(jié)果表明水火彎板成型效果良好。

圖14 焰道軌跡

圖15 專家知識庫

圖16 水火彎板機器人現(xiàn)場加工試驗