ГОЗ - мониторинг
Баннер
Новые краны-манипуляторы для военных

Представлена новая
линейка продукции
в интересах
Инженерных войск

Авторизация

Логин:
Пароль:

Поиск

Моделирование сварочных деформаций: эмпирический опыт XX века против вычислительных мощностей современности
Тема: Промышленность, Статьи

Используемые сегодня методы определения и предотвращения сварочных деформаций при строительстве судов и кораблей разработаны в 1950-1970-х годах. Они трудоемки, не универсальны, недостаточно точны, не подходят для новых способов сварки, а также не учитывают важные особенности конструкций и материалов кораблей. Например, они оказались неприменимы при модернизации авианесущего крейсера "Адмирал Горшков", а значит, с их несовершенством корабелы могут столкнуться и при работах на стоящем в ремонте "Адмирале Кузнецове". О важности и потенциальной выгоде использования новых подходов корреспонденту Mil.Press рассказали ученые, конструкторы и судостроители.


Руководящие документы не успевают за технологиями


При постройке корпуса судна или корабля значительные трудозатраты выпадают на ручные пригоночные работы. Так, при формировании корпуса на стапеле возникает необходимость сведения связей смежных секций, приходится подгибать концы корпусных связей, сводить листы наружной обшивки обеспечивая плавность обвода, причерчивать назначенные припуски до достижения требуемого габарита.

Коробления сварной конструкции внутреннего дна судна

Большой объем работы связан именно с возникновением сварочных деформаций судовых конструкций.

Подробнее об этом корреспонденту Mil.Press FlotProm рассказал заместитель генерального директора по техническому развитию Волжского судостроительно-судоремонтного завода Павел Глухов.

"Мы спроектировали корпус, спланировали размещение оборудования, фундамент под него. Когда начинаем процесс сварки, корпус "уводит". Варим фундамент - его "уводит". После этого конструкции нужно доделывать, подгонять, чтобы разместить оборудование. Особенно трудозатратно центрировать главные двигатели и пригонять трубопроводы", - рассказа специалист.

Заместитель директора Онежского судостроительно-судоремонтного завода по подготовке производства Вадим Фатов сообщил, что меры по устранению сварочных деформаций составляют приблизительно 5-7% от сборочных работ: "Все зависит от конкретного судна, но думаю, примерно такая доля. Мы пытаемся максимально компенсировать сварочные деформации, строго соблюдаем технологические указания. Например, применяем обратноступенчатый способ сварки. После этого проводим тепловую правку. От деформаций все равно никуда не деться - физика есть физика".

Объем пригоночных работ можно снизить, а техпроцесс сварки усовершенствовать, если провести тщательный расчет сварочных деформации и разработать мероприятия по их компенсации. Это приведет к уменьшению стоимости и времени постройки, повышению качества изготавливаемых конструкции и минимизации количества дефектов.

Препятствует этому пока только нормативно-технологическая база.

В настоящий момент методы расчета регламентируются руководящим документом РД5Р.9807-93 "Корпуса металлических судов. Методы определения и предотвращения остаточных сварочных деформаций".

Методы расчета, описанные в руководящем документе, разработаны в 1950-1970-х годах. Об этом корреспонденту Mil.Press FlotProm рассказал старший научный сотрудник лаборатории прочности транспортных судов и шельфовых конструкций Крыловского государственного научного центра, доктор технических наук Валентин Алферов.

Крыловский государственный научный центр

По его словам, расчетные схемы были "основаны на идеализации реальных объектов с применением существенных упрощений".

Это объясняется тем, что при разработке методик большие вычислительные мощности не были доступны и построить математическую модель, которая учитывала бы все особенности процесса образования сварочных напряжений, не представлялось возможным. Поэтому исследователям в области сварки пришлось пойти по пути разработки приближенных расчетных методов, которые обеспечивали приемлемую для судостроения точность.
"Особенность расчетов, приведенных в руководящем документе, еще и в том, что они полуэмпирические. При расчетах используются коэффициенты, которые определяются графикам. Эти графики носят частный характер, они выведены в результате экспериментов, проводимых в конкретных условиях, для конкретных конструкций и материалов", - указал специалист.
В своей книге "Методы расчета сварочных деформаций и напряжений судовых корпусных конструкций" ученый указывает, что главный недостаток существующих методик расчетов сварочных деформаций заключается в том, что они применимы в основном для сравнительно простых типовых узлов и плоских секций. Также "они непригодны для многих случаев, в частности для расчетов сварочных деформаций корпуса в процессе его сборки на стапеле и для модернизации корпусов судов с большим объемом замены секций", - указывает доктор технических наук.

На практике Валентин Алферов столкнулся с невозможностью использовать расчетные методы оценки сварочных деформаций из РД5Р.9807-93 при модернизации ТАВКР "Адмирал Флота Советского Союза Горшков".

В ходе модернизации авианесущего крейсера следовало заменить часть конструкций на большом протяжении его длины. В качестве отдельных технологических этапов были предусмотрены сборка и сварка двух новых пространственных блоков корпуса - днищевого и палубного. При этом следовало оптимизировать техпроцессы на основе расчета сварочных деформаций с использованием метода конечных элементов (МКЭ).

3D-модель ТАВКР "Адмирал Горшков" в системе T-FLEX CAD

Именно расчеты с использованием математического моделирования и специализированных программных продуктов являются альтернативой действующему руководящему документу.

Расчеты деформаций сварных конструкций ТАВКР "Адмирал Горшков" проводились с применением лицензионной программы МКЭ ANSYS.

По заверению доктора технических наук, применение программы существенно упростило подготовку исходных данных и облегчило обработку результатов вычислений.

В ходе работы исследователи провели расчеты продольных и поперечных укорочений и вертикальных укорочений как методом конечных элементов, так и по методике из руководящего документа. Сравнение показало, что расчеты, выполненные МКЭ, позволили получить более наглядную и точную картину.
Еще одним минусом РД5Р.9807-93 является неприменимость его рекомендаций к новым конструктивным материалам, которые разработаны за последние 20-25 лет.
Подтверждение корреспондент Mil.Press получил от заместителя генерального директора по перспективному развитию Ленинградского судостроительного завода "Пелла" Ильи Вайсмана.

"Это очень актуальный вопрос. Действующие рекомендации устарели. Нужно либо осовременивать существующие руководящие документы, либо искать другие методы расчетов. Мы с этим сталкиваемся при строительстве кораблей арктического класса. Руководящие документы не учитывают свойства новых хладостойких сталей. После сварки появляется ребристость, бухтиноватость - деформации, на устранение которых уходит много времени", - рассказал Илья Вайман.

Не вполне соответствует уровню 2020-х годов и точность результатов, получаемых при использовании методик расчетов в руководящем документе. Например, сноска к главе "Определение общих сварочных деформаций корпусных конструкций" сообщает, что "Погрешность расчета обычно не превосходит +/- 5% при соблюдении режимов и условий сварки. Однако, отклонения фактических режимов сварки (допускаемые руководящей документацией на сварку) от принимаемых в расчетах могут вызвать отклонения фактических деформаций от расчетных до +/- 28%".

Нечистый размер


Недостаточная точность расчета сварочных деформаций не позволяет прийти к изготовлению корпусных конструкций "в чистый размер", без припусков, к чему, например, стремится ОСК.

Фрегат проекта 22356 в павильоне ОСК на форуме "Армия-2019"

У корпорации есть и соответствующий проект - "Судометрика", подразумевающий создание единого измерительного пространства, чтобы строить судовые корпуса точно в размер по кооперационной схеме.

Начальник службы размерного контроля прибалтийского судостроительного завода "Янтарь" Игорь Барткус рассказал корреспонденту Mil.Press FlotProm, что проект ОСК направлен на увеличение точности изготовления корпусных конструкций, обеспечивающих возможность стыковки смежных монтажных кромок с минимальными доработками.

"Одним из аспектов увеличения точности является достоверный расчет сварочных укорочений. РД5.9807 позволяет получить лишь приблизительные значения предполагаемых сварочных укорочений. Для компенсации расчетных укорочений предусматривается "развал" конструкции в сторону, противоположную направлению сварочных деформаций. При этом детали изготавливаются в номинальный размер, что приводит к образованию клиновых зазоров и, как следствие, дополнительным сварочным деформациям конструкции," - рассказал Игорь Барткус.


Стапель судостроительного завода "Янтарь"

По словам специалиста, основываясь на выполненных расчетах, необходимо вносить упреждения в контур деталей, чтобы компенсировать сварочные укорочения. Оптимально это выполнять на стадии разработки РКД. Изменяется не только форма, но и положение деталей, и это необходимо учитывать при формировании раскроя, нанесении разметки. Сложность заключается в том, что специалисты верфи могут вносить изменения только вручную для каждой детали отдельно; это сложный и трудоемкий процесс, а если учитывать низкую точность выполняемых расчетов, еще и нецелесообразный.

Ситуация могла бы измениться, если бы проектанты передавали строителям всю плазово-технологическую документацию - именно модель корпуса, а уже специалисты верфи вычленяли из модели детали и определяли необходимый развал.

Собеседник корреспондента Mil.Press FlotProm из конструкторского бюро, проектирующего корабли первого и второго рангов, рассказал, что в КБ действительно готовят деталировку сразу с припусками, но сварочные деформации отдельно не рассчитывают.

По его мнению, сейчас точное моделирование технологических процессов все же нужно, правда, не проектантам, а судостроительным заводам. Впрочем, цифровизация отрасли может вывести взаимодействие конструкторов и строителей на нужный уровень.

Программно-аппаратный комплекс отладки конструкторских решений Северного ПКБ

"Это больше нужно технологам, мы как проектанты в это сильно не погружаемся. Возможно, когда придем к "цифровым двойникам", к которым все же хотим прийти, мы вернемся к вопросу моделирования сварочных процессов. У нас есть программное обеспечение, которое позволяет это сделать. PLM Ural поставляет нам программное обеспечение от ESI Group, но непосредственно для расчета сварочных деформаций нам нужно докупать отдельное специализированное ПО. Отечественного программного обеспечения с такой спецификой вообще нет. Нет "тяжелого" САПРа для судостроения", - рассказал специалист.

О "цифровом двойнике" корреспонденту Mil.Press FlotProm рассказал и Алексей Боровков, проректор по перспективным проектам СПбПУ, кандидат технических наук, руководитель "Центра компьютерного инжиниринга". По его словам, новые технологии могут принципиально изменить процесс сварки.
"Сварка - это один из ключевых технологических процессов, который сильно влияет на характеристики корпуса. Да, можно измерить лазером отклонения, но сварка, кроме деформаций, создает зоны термического влияния, в которых могут быть дефекты. Это непосредственно влияет на функциональность судна, на его прочность, ресурс. Мы должны закладывать ресурс еще на этапе проектирования и точно определять, какая должна быть сварка, чтобы сварные швы выдержали назначенный ресурс", - рассказал Алексей Боровков.
По словам кандидата технических наук, "цифровой двойник" также помогает провести виртуальные испытания и ответить на важный вопрос: где на корабле критические зоны.

"Моделируется работа в нормальных условиях. Потом моделируется нарушение этих нормальных условий. Потом - аварийная ситуация. Такие процессы помогут понять, как поведет себя корпус, - пояснил ученый. - Можно пойти дальше: навесить на корпус датчики и создать "цифровую тень", чтобы детально выяснить, как на отдельные элементы конструкции и сварные швы влияет температура, давление, виброперемещение, виброускорение и так далее".

Метод конечных элементов экономит время и материал


Технический специалист ESI Group Всеволод Троянов рассказал, что компания действительно поставляет российским энергетикам, машино- и судостроителям специализированное программное обеспечение.

"Программные продукты, использующие метод конечных элементов - это действительно очень актуальное решение, которое позволяет сократить время и материалы при проектировании и строительстве, а также минимизировать операции по доводке конструкций и сильно сэкономить на исправлении дефектов. Как правило такой софт представлен в виде прикладных модулей к САПР, своеобразное дополнение к расчету прочности. Но SYSWELD от ESI Group - это более специализированный, самостоятельный продукт", - рассказал специалист.

1 / 2

Он рассказал, какие возможности открывает перед специалистами использование специализированного продукта для моделирования процесса сварки. В первую очередь - это расчет напряженно-деформированного состояния материала с учетом всех фазовых превращений. SYSWELD позволяет моделировать все процессы, которые происходят при нагревании и охлаждении материала.

В зависимости от стоящих перед конструктором задач программа дает возможность провести расчеты либо более подробно и детально, либо быстро и обобщенно.

Первый вариант лучше подходит для локального анализа - отдельных узлов и секций, второй позволяет в приемлемые сроки рассчитывать масштабные конструкции. Эти подходы взаимосвязаны. Локальный расчет можно экстраполировать на типовые узлы и секции, чтобы построить глобальную модель в короткие сроки и с высокой точностью.

1 / 2

Такие модели могут стать составной частью "цифрового двойника" и использоваться для более продуктивного взаимодействия между проектантами и предприятиями-строителями.

Еще одним преимуществом использования прикладного софта с использованием метода конечных элементов может стать программный метод оптимизации последовательности сварки. Такая функция предусмотрена в программе ESI Group.

"Инженер задает условия, в каком месте должны быть минимальные сварочные деформации, и в фоновом режиме программа автоматически прорабатывает различные варианты сварки, после чего выдает оптимальный", - описал процесс специалист.

По словам представителя компании, программы для моделирования процессов сварки давно и успешно применяются в энергетике.
"Выгода от использования современных методов моделирования часто очевидна еще на этапе опытных образцов, когда на одном элементе конструкции, например, очень сложном или из дорогостоящих материалов, обкатывается технология сварки. При классическом "ручном" подходе на сварку и последующие механические испытания может уйти неделя или две, а на отработку технологии - вплоть до нескольких десятков опытных изделий. Моделирование позволяет существенно ускорить этот процесс и сократить количество образцов до одного - чтобы подтвердить правильность вычислений", - рассказал Всеволод Троянов.
Моделирование сварочных процессов методом конечных элементов на специальном ПО уже используется в военном кораблестроении, но из соображений конфиденциальности специалист не стал называть проекты и заказчиков. По его словам, применение прикладного софта позволяет существенно сокращать число ошибок, заведомо прогнозируя напряженно-деформированное состояние конструкций, и снижать несоответствие конструкторской документации и реальных изделий.

Часть набора судна. Деформации после сварки

Дефекты остаются, но, во-первых, их существенно меньше и они имеют менее критичных характер; а во-вторых, в основном они объясняются не погрешностью в расчетах, а непосредственным исполнением работ.

Главный сварщик Зеленодольского завода имени Горького Петр Лаптев рассказал корреспонденту Mil.Press FlotProm, что судостроительные предприятия интересуются новыми технологиями и готовы реализовывать современные подходы в производстве. Но только при условии, если эти технологии и подходы действительно дают прослеживаемый эффект.

"При демонстрации продуктов или в "идеальных" лабораторных условиях все выглядит замечательно. Но мы бы хотели видеть, как это реализуется при настоящем производстве. Не стоит забывать и про человеческий фактор: еще нужно сварить так, как рассчитали", - рассказал специалист.

В ходе подготовки материала стало известно, что в России есть собственные технологии, позволяющие точно выдерживать и дистанционно контролировать режимы сварки. Такой контроль также существенно снижает долю брака и уменьшает объемы пригоночных работ.

Таким образом, использование современных технологий и отказ от неактуальных нормативно-технических документов помогут снизить издержки и долю брака отдельных предприятий, а также создать технических задел для совершенствования отрасли в целом, например, через внедрение "цифрового двойника" или реализации программ по строительству судовых корпусов точно в размер по кооперационной схеме.

Вопрос в актуализации нормативно-технологической базы, которая позволит применять современные методы при проектировании и строительстве, а также в комплексном подходе к внедрению и использованию технологий в реальном производстве.

Валерий Бутымов

Есть, чем дополнить? Свяжитесь с редакцией Mil.Press:

+7(812)309-8-505, доб. 102;