高技术远洋客船引入了大跨度组合开孔梁、异型支柱等结构实现甲板的垂向支撑，结构的设计难度远大于普通载客船舶。《高技术远洋客船船体设计工艺惯例技术》针对高技术远洋客船上层建筑中船体结构问题，考虑了制造过程中的焊接因素，突破了船体特殊支柱结构变形及失效规律复杂难以预测的难题。基于制造工艺力学理论基础，考虑高技术远洋客船船体专业典型的房舱支撑结构的设计输入和装焊工艺，开展考虑焊接变形应力状态的结构失效行为研究。借助固有应变法、热弹塑性有限元方法，对典型结构在加工过程中产生的变形、残余应力情况进行预测，同时借助网格节点映射方法实现初始变形、应力数值的传递，在此基础上开展了非线性有限元分析。通过对计算结果的分析，探明了焊接初始状态对结构失效行为的影响规律，对实船结构设计的合理性进行了验证。《高技术远洋客船船体设计工艺惯例技术》可为高技术远洋客船典型支柱结构的设计优化提供指导，同时可为相关设计规范的形成提供理论依据和数据支持。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 船体结构焊接变形预测方法国内外研究现状 3
1.2.1 理论解析法 3
1.2.2 经验公式法 4
1.2.3 数值分析法 4
1.2.4 基于数据挖掘的焊接变形预测法 6
1.3 上层建筑板架结构国内外研究现状 7
1.4 船体结构极限强度国内外研究现状 8
1.4.1 简单计算法 8
1.4.2 非线性有限元法 9
1.4.3 试验法 10
1.5 大跨度T型开孔梁国内外研究现状 11
1.6 肘板结构国内外研究现状 14
1.7 非对齐支柱结构国内外研究现状 15
第2章 基础理论分析与研究 17
2.1 有限元方法简介 17
2.2 焊接数值模拟基础理论 18
2.2.1 热弹塑性有限元计算方法 18
2.2.2 焊接热源模型 22
2.3 船体结构极限强度研究基础理论 25
2.3.1 非线性有限元计算方法 25
2.3.2 非线性有限元分析需要考虑的问题 27
2.3.3 ANSYS非线性求解方法 29
2.4 本章小结 31
第3章 大跨度T型梁密集开孔设计工艺 32
3.1 大跨度T型梁多型密集开孔分布研究 32
3.1.1 大跨度T型梁腹板开孔研究意义及目的 32
3.1.2 高技术远洋客船梁开孔规范研究 34
3.1.3 单一孔型T型梁的有限元分析基础 35
3.1.4 不同孔型组合情况下密集开孔抗压及抗弯研究 64
3.2 大跨度T型梁多型密集开孔强度分析 75
3.2.1 大跨度T型梁激光切割的分析 75
3.2.2 大跨度T型梁焊接热残余应力的分析 82
3.2.3 大跨度T型梁密集开孔试验 85
3.3 本章小结 101
第4章 高强钢及有色金属连接方式设计工艺 102
4.1 高强钢及有色金属的连接形式 102
4.1.1 有色金属的选型 102
4.1.2 钢和铝合金的连接方式 103
4.1.3 铝-钢爆炸焊复合技术介绍及设计准则 105
4.1.4 钢-铝爆炸焊过渡接头连接工艺研究 112
4.2 高强钢及有色金属连接强度分析 123
4.2.1 钢-铝过渡接头剪切强度分析 123
4.2.2 钢-铝过渡接头拉脱强度分析 131
4.2.3 钢-铝过渡接头加强筋结构设计 136
4.3 本章小结 144
第5章 生活区肘板优化设计工艺 145
5.1 生活区肘板结构形式及布置优化 145
5.1.1 引言 145
5.1.2 客船肘板的主要结构形式 146
5.1.3 肘板节点选取及结构研究 153
5.1.4 肘板节点尺寸优化研究 157
5.2 生活区肘板与其他部件接合处设计 165
5.2.1 肘板接合处结构参数影响研究 165
5.2.2 肘板结构有限元分析 170
5.2.3 肘板结构接合处接头应力分析 171
5.3 生活区肘板与其他部件接合处强度分析 179
5.3.1 肘板接合处结构数值计算 179
5.3.2 肘板接合处结构强度试验验证 186
5.4 本章小结 201
第6章 生活、娱乐区支撑结构设计工艺 202
6.1 生活、娱乐区支撑结构形式研究 202
6.1.1 引言 202
6.1.2 高技术远洋客船上建支撑结构特点分析 203
6.1.3 支撑结构节点区域选取 213
6.1.4 支撑结构形式计算分析 215
6.2 生活、娱乐区支撑结构承载能力分析 221
6.2.1 船级社规范对比分析 221
6.2.2 典型支撑结构强度数值计算 227
6.3 生活、娱乐区支撑结构接头形式研究 238
6.3.1 典型支撑结构接头强度研究 238
6.3.2 多影响因素下的支撑结构接头强度数值计算 242
6.4 本章小结 250
参考文献 251

第1章绪论
　　1.1引言
　　船舶制造工艺力学就是船舶制造中的应用力学，概括地讲，船舶制造工艺力学的研究对象包含两个方面：一是制造过程中由各种制造载荷引起的发生在船体及其构件中的力学行为；二是制造过程中力学行为引起的船体内部残余变形及残余应力对船舶制造质量的影响。船舶制造过程中遇到的力学问题具有综合性和复杂性的特点，所研究的对象很少有单一的力学问题，经常是多种力学问题的综合。有时既有固体力学问题，又有流体力学和流固耦合问题，如船舶下水中的力学问题。在固体力学问题中，有弹性问题，如吊装中的力学计算；有弹塑性问题，如冷加工中的力学问题；有热弹塑性问题，如板材及型材的水火加工中的力学问题;有断裂力学问题，如切割中的力学问题。因此，研究船舶制造工艺力学需要具备较全面的力学基础知识和综合性的研究思路。船体建造的环境较为恶劣，船体建造中的载荷极为复杂，力学问题本身又是综合的，使得船舶制造工艺力学问题的求解非常复杂，模型的建立有很大困难，难以准确描述所遇到的问题，解法也较困难。应用有限元法求解也存在载荷和边界条件不易确定的问题。
　　造船工艺力学是为解决船体建造中的力学问题而开展研究的，有着清楚的应用目标，研究结果有明确的衡量标准。因此，研究船舶制造工艺力学主要不是力学理论研究，而是以力学理论为依据，研究造船工艺中的力学问题，理解造船过程中的力学行为，实现提高造船水平的目的。近年来，船舶制造工艺力学的相关研究主要集中在钢料成型加工工艺、船体装配加工工艺、船舶下水工艺力学等方面，在不断追求科技进步和可持续性的今天，工艺力学也致力于引导工程实践朝着更科学和环保的方向发展，应对未来的技术挑战。
　　高技术远洋客船是近年来高技术、高附加值船型产品，是目前世界上先进造船国家重点发展的高端船型之一，长期以来被欧美垄断。高技术远洋客船是功能齐备、技术先进的新型船舶，通常设计用于横跨大洋，连接不同的国家和大陆，可以运送大量的乘客，提供长途海上旅行服务。高技术远洋客船可以包括豪华邮轮、长途渡轮和其他专门设计用于跨洋航行的客运船只，通常具有相对较大的尺寸和船舱，以提供舒适的旅行体验，并配备了必要的设施，如餐厅、娱乐设施和客房。该类船舶功能强大、结构复杂、涉及专业多、布置紧凑，专业间协调量很大。
　　高技术远洋客船设计建造具有难度大、要求高的特点，特别是对于初步进入该领域的船厂来说，面临巨大风险，有必要借鉴和吸取国际上己有的经验和教训。以曰本三菱重工为例，其两次高技术远洋客船建造过程中，曾发生多起严重火灾，产生了巨额损失。其新近建造的2艘12.5万总吨AIDA邮轮目前累计亏损额己经高达24亿美元，几乎是总船价（单价6.5亿美元）的2倍。主要原因是三菱重工对邮轮设计建造的难度预估不足，试图依靠过去的经验，*立承担设计和建造任务，各方协调不力，造成了设计进展缓慢、建造进度滞后、成本超支、供应链失控等问题，相关教训非常值得警示。因此，消化吸收国外己有先进经验，对形成高技术远洋客船自主设计建造能力至关重要。
　　高技术远洋客船不同于普通的船舶，其在船体结构安全性、系统可靠性及整体舒适性上均有更高的要求。大量新的设计理念、新型设备的运用在保证安全性和舒适性提高的同时，也带来设计建造方面的新的挑战。通过设计工艺惯例技术研究，对新材料加工、新设备安装和新理念运用等的细致分解，结合仿真分析计算等手段，并通过必要的试验测试，制定适合建造所属地操作运用的相关设计工艺，形成有效可行的工艺方案，将能有效地解决诸多设计建造过程中的难题。高技术远洋客船的建造技术具有较强的经验性、属地化属性，在国内外均被视为商业机密来保护，一般不轻易示人。设计工艺惯例的研究一旦完成，将成为高技术远洋客船的设计建造能力提升的倍增器。
　　相较于普通的客船，为了提供更多的娱乐和休闲空间，高技术远洋客船的上层建筑通常采用多层次的甲板设计，这些甲板可能包括游泳池、露天酒吧、餐厅、绿化区域等，提供更多选择和活动场所。高技术远洋客船上层建筑通常由密集的薄壁居住舱室和多个大跨度娱乐、休闲、餐饮等用途舱室构成。除了使用有针对性的立柱支撑结构来保证强度以外，薄壁居住舱室和大跨度舱室通常还分别通过肘板和大跨度的T型梁来进行加强。出于娱乐性、功能性和美观性要求，除了对生活区肘板进行优化，往往还会在舱室、船体外板以及大跨度T型梁上设计多种形式的密集开孔。为了在满足强度要求的情况下*大程度保证舱室空间而进行的肘板、支撑等特殊结构设计，均对传统的结构节点设计提出新的要求；同时，为控制全船质量及重心，保证设计建造的经济环保，大量采用了高强钢、有色金属及新型轻质材料等，在焊接、快速建造、变形控制等方面也需要有新的相对应的设计工艺来保证结构强度安全，以满足施工要求。除此之外，对于船上的其他特定功能结构形式，例如，流水孔、透气孔、贯穿孔以及特殊焊接形式，需要考虑安全性和美观性要求，在此基础上进行相关设计工艺的研究，如图1-1所示。
　　针对上述问题，本书以高技术远洋客船上层建筑区域区别于常规船舶的特殊结构作为研究对象，从大跨度T型梁密集开孔设计工艺、高强钢薄板结构高精度
　　图1-1大跨度T型梁腹板开孔
　　连接设计工艺、生活区肘板优化设计工艺、生活/娱乐区支撑结构设计工艺几个方向入手，通过数值模拟计算、试验验证以及现场实测数据验证等方法，对贯穿船舶建造、运营过程中存在的结构装焊精度、结构可靠性问题进行了研究，可指导实际生产作业中的工艺改进以及相关机构设计的优化，可为促进我国相关客船结构设计规范的形成提供基础数据参考。
　　1.2船体结构焊接变形预测方法国内外研究现状
　　在实际生产过程中，焊接变形会严重影响船体结构的建造精度，鉴于焊接变形的复杂性，不仅要研究焊接变形与应力的产生机制，准确预测变形趋势也十分重要。结构焊接变形问题早在20世纪30年代就受到了关注，那时的研究较为简单，主要以试验为基础，对简单结构的焊接问题进行分析。随着科学技术的发展，研究焊接变形的方法和手段也得到了很大的进步，时至今日，焊接变形预测的方法有：理论解析法、经验公式法、数值分析法和基于数据挖掘的焊接变形预测法。
　　1.2.1理论解析法
　　理论解析法依靠结构力学、弹塑性理论和热传导理论等基础理论，对简单的结构进行焊接变形分析。20世纪中叶，奥凯尔勃洛姆[3]针对一维坐标系下的焊接应力应变问题进行了研究，库兹米诺夫通过进一步研究推导出了确定典型船体结构总变形和局部变形的公式。由于理论推导对于截面形状等方面有限制要求，所以对于复杂的结构形式难以应用。
　　1.2.2经验公式法
　　经验公式法是通过利用大量试验数据以及实际工程经验数据库得出的经验公式和数据*线来对相同或相似结构的焊接变形进行预测。曾志斌等对横向变形、纵向变形和角变形量的经验公式进行了总结，如表1-1所示。
　　但是这些经验公式大多是通过对小尺寸简单结构模型进行试验得出，难以应用在复杂的大型船体结构上，存在较大的局限性。
　　1.2.3数值分析法
　　近些年来，随着计算机科学和技术的快速发展，计算机仿真技术逐渐应用到结构焊接过程的热力耦合数值模拟中。利用数值分析技术预测结构的焊接变形，可以考察结构性能指标与制造可行性，从而缩短研究和开发焊接工艺技术的周期，节约大量成本，数值分析法己成为船体结构焊接变形预测的主流方法。
　　多年来，各国学者对焊接残余应力、焊接变形的数值模拟研究做了大量的工作。日本学者Ueda和Yamakawa[7]基于有限元方法提出了热弹塑性有限元法，该方法考虑了焊接材料能随温度变化的物理性能、焊接工艺等多种因素，能够根据热应变逐步计算结构的应变和应力，能够跟踪整个焊接过程。国外的Blandon等[8]利用气体加热炬作为热弹塑性有限元法的热源模型，研究热源位置和加热速度等参数对U形肋板弯*变形的影响。Josefson[9]利用热弹塑性有限元方法计算了圆管在对接焊阶段和退火阶段的应力分布，并将数值模拟结果与试验结果进行了对比，结果显示该圆管的焊接残余应力呈旋转对称分布。FallaM等[1Q]利用焊接数值模拟的方法研究了预加热和焊接顺序对焊接残余应力的影响，结果表明，采用预加热方法和选择合适的焊接顺序均能够减小残余应力，并且提高预加热温度以进一步减小焊接残余应力量值。Bhatti等[11]通过热弹塑性有限元法研究了不同材料属性对T型接头焊接产生的变形和残余应力的影响，并通过试验验证了计算的准确性。瑞典的Karlsson[12]研究了拼接焊的焊后变形和应力，并且对焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响进行了分析。
　　目前，国内外对热弹塑性有限元法的应用己十分广泛，其研究流程图如图1-2所示。Mahapatra等[13]通过三维有限元模拟和试验验证，分析了在单面角焊缝中施加固定约束对减小角变形的影响，发现正确的约束位置和焊接参数对控制角畸变至关重要。Gannon等[14]基于有限元建模的数值模拟方法，探讨了不同焊接顺序对钢板焊接扁钢筋过程中残余应力和变形分布的影响，揭示了焊接顺序对板和加强筋性能的重要性，并据此提出了优化建议。
　　图1-2热弹塑性有限元法流程图
　　然而，热弹塑性有限元法亦存在一定的局限性，焊接热弹塑性有限元分析一般只考虑固体之间的热传导，忽略焊接熔池内金属流动对焊接过程的影响。此外，不同焊接热源密度模型对焊接数值模拟的结果有较大影响。热弹塑性有限元计算是非线性计算过程，求解量非常大，并存在收敛困难的现象，面对大型复杂结构局限性较大[15]。
　　1989年，Ueda等[16]又提出固有应变的概念，并在此基础之上开发了更加有效的焊接变形和残余应力的固有应变预测法，该方法将固有应变作为初始应变施加到焊缝上，通过一次热弹塑性有限元计算就能得到焊件整体的变形情况，计算速度大大提升。Luo等[17]采用热弹塑性有限元方法对堆焊过程中的力学现象进行了详细的分析，并研究了堆焊过程中产生固有应变的机制，提出了计算固有应变分布的简易公式。张雪彪和汪巧[18]采用弹塑性固有应变有限元法对帆形板和鞍形板的多加热线变形进行模拟，分析不同加热顺序下的钢板变形，分析结果表明，加热顺序对钢板变形有明显的影响。但是固有应变法计算的准确性依赖相应加工工艺所建立的固有应变数据库，在面对实际工程问题时难以满足复杂焊接条件下的焊接变形与残余应力计算，其应用受到一定限制[19]。
　　1.2.4基于数据挖掘的焊接变形预测法
　　由于传统理论方法和经验方法的局限性，许多专家学者开始从实际建造的大量数据中寻找规律和方法，即基于数据挖掘的焊接变形预测法。周方明等[M]利用支持向量回归的方法从大量的数据中总结规律，建立焊接变形的预测系统，其实际运行结果表明：该系统能够实现焊接变形的快捷预测和管理。Pinzon等[21]采用人工神经网络模型解决板材线加热成形的逆问题，其使用板厚及4个固有变形分量作为输入参数求解线加热速度，结果表明：拓扑结构及训练数据对人工神经网络的模拟结果影响显著，对应的神经网络模型拓扑结构如图1-3所示。王星宇等[22]基于XGBoost算法设计了固有变形数据库的结构，建立了固有变形预测模型，并通过简单实例进行了验证。
　　图1-3神经网络模型拓扑结构
　　基于数据挖掘的焊接变形预测法的准确性很大程度上依赖于输入数据的质量。如果焊接变形的数据不完整、不准确或包含噪声，那么模型的预测性能可能会受到影响。数据挖掘模型在训练时通常会根据现有数据调整参数，但在面对新数据时，模型可能无法很好地泛化。焊接过程中可能存在不同工况和工艺参数的变动性，这种变动性可能使得建模变得更为复杂，而且模型的适用性可能会受到限制。