0 引　言

船体焊接是船舶建造的关键环节，焊接质量既关乎船体结构强度，也直接影响其使用寿命与安全性^[1]。大型复杂船体结构规模大、组成复杂、焊接量大，焊接时大量热输入会使材料产生焊接变形，若热输入叠加或累积，变形将超允许标准^[2]。焊接变形会降低船体尺寸精度、增加装配难度，还可能引发结构应力集中、降低疲劳强度，威胁船舶航行安全。因此，有效控制大型复杂船体结构分段焊接变形是亟待解决的问题。

何银水等^[3]利用激光视觉传感检测焊缝轮廓特征点，构建层次分析模型，分析影响焊缝质量的因素以确定最佳焊缝位置，但单纯优化焊缝位置难以全面精确控制复杂船体结构焊接变形，也未改进焊接工艺和精准模拟热输入。周晓丽等^[4]通过有限元软件分析温度场变化，在焊接接头处增加压条约束以降低收缩和弯曲，但该方法对热输入模拟不精确，未充分考虑不同焊接方法和复杂结构对热量分布的影响，且压条约束难以适应复杂工况。李岩等^[5]利用有限元进行热塑模拟分析，计算不同外部约束对焊接变形的影响并校对焊接热源，但侧重于外部约束和热源校对，未结合先进焊接工艺提高效率和质量，难以满足大型复杂船体结构对焊接质量和建造精度的高要求。周广涛等^[6]分析材料应力变化后引入随焊高速气流场，利用气动荷载补偿纵向压缩塑性变形，但对材料应力变化分析单一，未充分考虑多种因素的综合影响，气动荷载的控制和作用效果也难以精确量化，无法全面、精准控制焊接变形。

本文为实现大型复杂船体结构分段焊接变形控制，结合实际船体结构为例展开相关研究，将HyperMesh软件用于大型复杂船体结构分段焊接变形分析中，并且结合分析结果加入反向变形后进行大型复杂船体结构分段焊接变形控制，以此保证船体的分段焊接质量。

1 大型复杂船体结构分段焊接变形控制 1.1 大型复杂船体结构详情

为研究大型复杂船体结构分段焊接变形控制方法，文中以某大型复杂船舶为例展开相关研究，该船舶为集装箱货船，其相关参数如表1所示。

该船舶涵盖多个舱室，因此其整个船体结构的复杂程度较高，文中在进行结构分段焊接变形质量控制时，仅以该船舶的其中一个机舱区为例展开相关分析。该机舱结构整体包含4个组合结构，每个部分还包含多个小构件，在保证研究结果可靠性的前提下，为提升研究效率，降低研究耗时，对其中复杂程度最高的1个组合结构进行分析，该结构的组成构件详情如表2所示。

1.2 分段焊接工艺

结合大型复杂船体结构的特点，为保证焊接效率和焊接质量，采用激光-电弧复合焊接作为该结构的焊接方法。该焊接方法是结合2种焊接热源耦合形成，具备较高的焊接效率，可在一定程度上减少焊接层数，确保焊缝的熔透性和致密性，提高焊接质量。同时该技术能够满足大型复杂船体结构中的各种构件的焊接需求，包括不同厚度、不同形状的板材焊接。因此，以该焊接技术为核心，并采用分段焊接的方式实现船体结构的焊接，分段焊接允许船体结构在不同区域或分段上同时进行多个分段的焊接作业，能够较好的保证何焊接条件的可控性。其焊接参数如表3所示。

对船体结构进行分段焊接时，需按照1立焊—2面板—3角焊—4腹板的焊接顺序完成 ，以此保证焊接结构的稳固性。并且在焊接时，需严格控制合拢口的尺寸，合拢时对角线和壁板垂直的误差不可超过8 mm和4 mm，以此保证合拢处的焊接质量。

1.3 基于有限元的变形分析 1.3.1 船体结构有限元模型构建

结合上述小节确定船体结构和焊接工艺后，为保证该结构的焊接质量，分析其在焊接过程中的变形情况，为后续变形控制提供依据。本文选择HyperMesh软件进行船体结构模型构建，该软件支持2D和3D网格划分，同时具备六面体、四面体和流体网格划分功能，能够结合应用需求选择合理的网格，生成高质量的有限元模型，并且保证分析结果的精准性。除此之外。该软件具备强大的几何处理能力，在模型构建时，能够自动清理和修复复杂的几何模型，如消除间隙、重叠等问题，以此有效解决复杂结构的重叠或者交叉设计问题。因此，选择该软件进行船体结构有限元模型构建，并利用该模型模拟分段焊接，可对船体结构分段焊接过程中的变形进行精确分析，预测焊接变形量^[7]，为工艺优化提供依据。

文中将测试船体结构划分为26000个单元，每单元的尺寸为2 mm ×2 mm × 2 mm和1 mm × 1 mm × 1 mm，船体结构有限元模型构建结果如图1所示。

1.3.2 分段焊接模型

在进行分段焊接模拟时，为保证模拟结果与逼近实际焊接结果，将双椭球热源模型和HyperMesh软件相结合，利用双椭球热源模型进行船体结构分段焊接模拟，将模拟后的结果导入 Hypermesh 进行进一步的结构分析。

双椭球热源模型在模拟时，充分考虑焊接时的气流和温度场变化，并将焊接热源分为前、后2个半椭球，分别代表电弧前方和后方的热量分布，以此更接近实际焊接时的热量分布特点，更精确地模拟焊接热输入，可以根据实际焊接工艺进行模型中的参数（如椭球半轴长度、热量分布等）调整，以此保证模型适应不同焊接方法和船体复杂结构的需求。如果焊接移动热源总功率用$ Q $表示，前、后2个半椭球热源热量分布函数为$ {f_1} $和$ {f_2} $的情况下，2个半球的热量分布计算公式为：

$ \overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\leftarrow}$}}{\xi } \left( {x,y,z,t} \right) = \frac{{6\sqrt 3 {f_1}Q}}{{ab{c_o}{\text{π}} \sqrt {\text{π}} }}\exp - 3\left( {\frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} + \frac{{{{\left( {z - vt} \right)}^2}}}{{{c_o}^2}}} \right)，$

(1)

$ \vec \xi \left( {x,y,z,t} \right) = \frac{{6\sqrt 3 {f_2}Q}}{{ab\eta {c_e}{\text{π}} \sqrt {\text{π}} }}\exp - 3\left( {\frac{{{x^2}}}{{{a^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{b^2}}} + \frac{{{{\left( {z - vt} \right)}^2}}}{{{c_e}^2}}} \right)。$

(2)

式中：$ \left( {x,y,z} \right) $为焊接位置，即$ x $为水平焊缝的方向、$ y $为垂直焊缝的方向、$ z $为垂直焊缝厚度的方向；$ t $为焊接时间；$ a $、$ b $、$ {c_o} $、$ {c_e} $均为椭球形状参数；$ v $为分段焊接速度；$ \eta $为热源修正系数。

在上述公式的基础上 ，计算模型焊接模拟的东热流密度，其公式为：

$ \rho(x, y, z, t) = \overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\leftarrow}$}}{\xi}(x, y, z, t) + \vec{\xi}(x, y, z, t)。$

(3)

依据上述内容实现船体结构分段焊接模拟，模拟后的结果导入HyperMesh软件中进行分析。

1.3.3 焊接变形分析

船体结构在分段焊接时会产生残余应力，该应力的形成是由于船体结构材料在焊接时发生去塑性变形后形成^[8]，该变形会产生不可逆的固有应变。因此，为分析船体结构在焊接时产生的变形主要为固有变形，为分析该变形，文中将固有变形定义为初始应变，通过HyperMesh软件分析焊接过程中的变形和残余应力情况。

如果焊接过程中的塑性应变用$ {\varepsilon _1} $表示，在焊接时还会产生热应变和蠕变应变 ，2种应变用$ {\varepsilon _2} $和$ {\varepsilon _3} $表示，除此之外还存在固态相变应变$ {\varepsilon _4} $，则船体结构分段 焊接时产生的总应变$ {\varepsilon _\Sigma } $计算公式为：

$ {\varepsilon _\Sigma } = {\varepsilon _1} + {\varepsilon _2} + {\varepsilon _3} + {\varepsilon _4} + {\varepsilon _5}。$

(4)

式中：$ {\varepsilon _5} $为弹性应变。

分段焊接引起的变形主要分为横向和纵向收缩、纵向弯曲以及角变形等情况，该变形的产生主要是由横向和纵向应变导致。为更好地分析变形情况，文中采用积分的方式对垂直焊缝截面上的全部应变进行处理，以此计算对应分量的固有变形量，其公式为：

$ \left\{\begin{gathered}\beta_x=\frac{12}{h^3}\int_{ }^{ }\int_{ }^{ }\left(z-\frac{h}{2}\right)\varepsilon_x\mathrm{d}y\mathrm{d}z，\\ \beta_y=\frac{12}{h^3}\int_{ }^{ }\int_{ }^{ }\left(z-\frac{h}{2}\right)\varepsilon_y\mathrm{d}y\mathrm{d}z。\\ \end{gathered}\right. $

(5)

$ \left\{\begin{gathered}\mu_x=\frac{1}{h}\int_{ }^{ }\int_{ }^{ }\varepsilon_x\mathrm{d}y\mathrm{d}z，\\ \mu_y=\frac{1}{h}\int_{ }^{ }\int_{ }^{ }\varepsilon_y\mathrm{d}y\mathrm{d}z。\\ \end{gathered}\right. $

(6)

式中：$ {\beta _x} $和$ {\beta _y} $分别为横向和纵向固有弯曲；$ h $为船体结构材料厚度；$ {\varepsilon _x} $和$ {\varepsilon _y} $分别为横向和纵向的固有应变；$ {\mu _x} $和$ {\mu _y} $分别为横向和纵向固有收缩。

在不考虑端部效应的情况下，$ {\beta _x} $和$ {\beta _y} $、$ {\mu _x} $和$ {\mu _y} $在焊缝方向上为等效值，能够直接加载至HyperMesh软件的弹性模型上进行分析，判断其变形情况。

1.4 焊接变形控制

通过上述小节的分析模型获取结构焊接的变形量后，为控制其变形程度，采用反变形理论进行焊接变形控制。将反向变形施加在焊接变形位置，以此有效抵消焊接过程中产生的变形，该方法可以根据不同的焊接工艺和船体结构特点进行调整和优化，具有较强的适应性和可控性，使焊接后的结构更接近设计形状和尺寸。如果上述模型计算的变形量用$ {\Sigma _\ell } = [ {\beta _x}, {\beta _y}, {\mu _x},{\mu _y}] $表示，通过多项式拟合法将进行焊接变形控制计算，获取反变形量的计算结果，其公式为：

$ G = \left( {{g_1} + {g_2} + {g_3} + {g_4} + {g_5}} \right){\Sigma _\ell }{F_y}。$

(7)

式中：$ {g_1} $、$ {g_2} $、$ {g_3} $、$ {g_4} $、$ {g_5} $均为反变形量因子；$ {F_y} $表示焊接产生的纵向力。

依据式(7)计算的反变形量结果，将其施加在焊接变形处，即完成船体结构分段焊接变形控制。

2 结果分析 2.1 分段焊接变形分析

文中方法在应用过程中，能够进行分段焊接变形分析，为分析文中方法的分段焊接变形分析效果，对船体结构进行分段焊接模拟，以此分析其不同构件的焊接变形结果，如表4所示。

可知：横向固有收缩上，各构件收缩量在0.239～0.331 mm波动。外底板收缩最大，达0.331 mm，这可能因其处于船体外部，焊接时直接受热，收缩明显。肋板收缩最小，为0.239 mm，表明其受焊接热影响小。纵向固有收缩处于−0.059～0.039 mm。平台板收缩−0.059 mm，幅度较大，或影响与其他部件的装配精度；外底板和外板纵桁收缩−0.039 mm，相对较小。横向固有弯曲中，纵骨、肋骨、扶强材与纵壁板向内弯曲，平台板、横舱壁等向外弯曲。纵向固有弯曲量在−0.0055～0.0069 mm变化，不同构件差异明显。这些量化结果充分说明，文中方法能精准计算各构件在焊接时的横向和纵向固有弯曲、收缩结果，准确确定焊接变形量。这一能力为后续制定有效的变形控制策略提供了关键数据依据，有助于提升船体结构的焊接质量与建造精度。

2.2 变形控制结果分析

结合焊接变形分析结构进行焊接变形控制，为分析文中方法的变形控制效果，通过文中方法进行控制后，获取其变形控制前、后的变形云图如图2所示。

从图2(a)可知，焊接处的变形情况极为显著。变形云图显示，最大变形值达到12 mm，且变形云图分布范围广泛，几乎覆盖了焊接区域及其周边较大面积。这意味着在未进行变形控制时，焊接过程对船体结构产生了较大且广泛的变形影响，若不加以控制，极有可能导致船体结构尺寸偏差过大，影响后续装配精度和整体结构强度。而经过文中方法控制后的变形云图2(b)呈现出明显改善。变形范围大幅缩小，原本广泛分布的变形区域得到了有效遏制。同时，最大变形值降低至9 mm。这表明文中提出的变形控制方法能够有效约束焊接过程中的变形，显著降低焊接变形对船体结构的影响。通过对比控制前后的变形云图，可以明确得出，文中方法具备较好的控制效果，实现了对焊缝变形的有效控制。

2.3 变形控制效果对比分析

为进一步验证文中方法的变形控制效果，随机将文献[3]方法、文献[5]方法均作为文中方法的对比方法，通过3种方法分别进行焊接变形控制，获取3种方法在不同分段数量下，焊接变形控制后的总变形结果，如图3所示。

可知，在不同分段数量下，3种方法的总变形结果差异显著。文献[3]方法和文献[5]方法控制后的总变形量波动较大，且最小总变形量分别为8.87 mm 和8.98 mm，整体变形控制效果不够理想。而文中方法控制后的变形量均低于5.31 mm。在分段数量为8 段时，文中方法控制后的变形量仅为3.55 mm，明显低于文献[3]方法的 8.87 mm和文献[5]方法的9.08 mm。这表明文中方法在应对不同分段数量的焊接变形控制时，都能展现出出色的性能，能够有效降低焊接变形量。

综合来看，文中方法在焊接变形控制方面具有明显优势，控制效果更佳，能够更好地满足船体结构焊接过程中对变形控制的严格要求，为提高船体结构建造质量提供了有力保障。

3 结　语

本文聚焦大型复杂船体结构分段焊接变形控制，以某集装箱货船为实例，完整呈现了从结构分段、焊接工艺选定到变形分析与控制的全流程。采用激光 - 电弧复合焊接与分段焊接工艺，借助双椭球热源模型实现精确模拟，并运用反变形理论实施变形控制。通过有限元分析获取构件焊接变形量，利用多项式拟合法计算并施加反变形量。研究结果显示，该方法可精准计算各构件焊接固有变形量，经控制后焊接处变形范围大幅缩小，不同分段数量下总变形量均处于较低水平。这表明该方法在提升焊接效率与质量的同时，能更精确地控制焊接变形，使焊接结构与设计高度契合。该方法具有广泛的适用性。无论是不同类型的集装箱货船，还是其他大型复杂船体结构，只要涉及分段焊接，均可借鉴该方法进行变形控制。通过合理调整工艺参数和反变形量计算模型，能够适应不同船体结构特点和焊接要求，为大型复杂船体结构焊接变形控制提供可靠且有效的解决方案，具有显著的工程应用价值。