自升式海洋平台桩腿弦管轻量化设计与激光熔丝增材制造

作     者：殷旭东 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜风春;王琪晨

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：激光熔丝增材制造 蜂窝弦管 路径规划 高强钢 沉积层 

摘      要：自升式海洋平台具有桁架式桩腿结构,桩腿间通过弦管、齿条板、撑管的连接形成稳定三角结构。传统弦管为半圆环形结构,两侧开坡口,采用对称焊接方式与齿条基板连接。桩腿所用钢材为海洋高强钢,建造成本高;自重较大,降低了平台的拖航能力;国内制造水平受限,主要依赖于进口。蜂窝结构是一种密度低、比刚度高的多孔薄壁结构,在工程上得到了广泛应用。本文针对JU2000E船型的桩腿弦管,参照蜂窝夹层结构进行了轻量化设计,并与传统弦管作出有限元对比分析;编写源程序生成机器人可以直接读取的路径文件;探究了工艺参数对单道沉积层宏观形貌的影响关系,选取最佳参数对蜂窝弦管进行激光熔丝增材制造,取得了以下结果:完成了蜂窝弦管的结构设计。首先确定蜂窝单元形状为正六边形,依据如下:正六边形蜂窝材料用量最少;正六边形截面具有横观各向同性;正六边形的净截面承载能力最大;正六边形蜂窝应用最广泛。采用宽径比0.2以及高强钢单道成形宽度作为依据,初步选用边线长度40mm、壁宽6mm建模,使用ANSYS计算强度与刚度,并与传统弦管计算结果对比。计算结果得到6mm壁宽蜂窝弦管的静载最大应力为191.8MPa,最大应变为0.959mm,失稳载荷422t,不能满足要求。8mm壁宽的蜂窝弦管的静载应力为150.17MPa,最大应变为0.75mm,失稳载荷481.16t,可以满足使用要求。获得了蜂窝结构增材制造路径规划方案。商用打印机的路径文件为G代码,不能为机器人读取使用;激光熔丝中有一些特殊外控指令,需要额外添加。为此设计编写源程序,可以生成机器人直接读取的扫描路径。蜂窝结构规律交替排列,将模型切分,设计单位长度的路径即可,依据机器人行程确定路径起点与坐标轴。蜂窝结构侧视图为半圆形,俯视图为非对称结构,高度增加,路径不断变换需要考虑在内。采用Python语言编写源程序,使用Easy GUI模块实现参数交互。设定Y坐标为自变量,判断坐标区间,执行相应的语句,生成扫描路径。使用小功率激光烧蚀基板,检查路径准确性、指令的恰当性,对不同层扫描路径检查,结果正确。采用激光熔丝增材制造技术制造出了蜂窝结构。匹配蜂窝薄壁宽度,需要探究高强钢单道沉积形貌与参数的关系。在单一变量的情况下:激光功率增大,沉积层的宽度增加,高度降低;送丝速度增大,沉积层宽度变化不大,高度增加;扫描速度增大,沉积层的宽度高度都会降低。通过提高激光功率与送丝速度、减小扫描速度未能达到所需宽度,为此通过改变光斑直径的方法来调节沉积层的宽度。光斑直径10mm,确定成形参数为激光功率4200W、扫描速度2.3mm/s、送丝速度20mm/s。首先进行了单位长度路径的沉积测试,优化参数后沉积多层,测量层增高量为1.5mm,然后沉积整体蜂窝弦管,最后变位沉积弦管外端盖板。