本发明涉及船舶高质量制造，具体而言，涉及一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法。
背景技术：
1、大型集装箱船、豪华邮轮等高技术船舶对高精度制造技术有迫切需求，而船体结构钢焊接过程中不均匀加热和冷却会引起焊接残余应力。残余应力会导致裂纹的产生，破坏结构的强度，降低结构承载力等，这将严重影响船舶建造质量及服役安全。对于船体板等构件来说，焊后常会因很小的焊接残余应力的存在而发生翘曲、扭转等失稳变形，甚至给整个工程带来无法弥补的损失，因此如何预测和控制焊接残余应力一直是船舶制造领域大量学者研究的重点。
2、当前残余应力的测试方法有很多种，大体可分为机械法和物理法两类。机械法一般属于破坏性测试，也称应力释放法，如钻孔法、环芯法及剖分法等；物理法多属于非破坏性测试，也可以是非接触式测试，如x射线衍射法、中子衍射法、磁性检测法和超声波检测法等。上述方法对于测量某一微区焊接残余应力较为有效，但不能反映焊接接头宏观应力情况，且存在试验周期长、试验费用高等缺点。例如压痕法、x射线衍射法只能测量表层微米范围内的残余应力，而无法获得钢板厚度方向应力情况；中子衍射法可获得较大深度处的残余应力，但也局限在较小范围内，且需使用大型中子散射源等高端设备，不具有通用性。
3、为满足各类船舶与海洋工程装备的低应力高精度建造需求，通过焊接工艺优化或焊材设计可有效降低焊接残余应力，但如何快速评价新型焊材、焊接工艺的焊接残余应力水平是一个亟待解决的难点。通过表征一定范围内的宏观残余应力水平，能够减少因测量局限性而引起的误差，但当前研究主要聚焦在局部残余应力评估方法上，没有通过简单易得方法对宏观残余应力进行表征的相关研究。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明旨在提出一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法。以解决现有技术中的研究主要聚焦在局部残余应力评估方法上，没有通过简单易得方法对宏观残余应力进行表征的相关研究，且局部残余应力评估方法还存在试验周期长、试验费用高的问题。
2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
3、一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，包括如下步骤：
4、s1、将船体结构钢加工成一定尺寸的试板，所述试板包括第一试板和第二试板，将试板的对接端加工坡口；
5、s2、将试板远离对接端的一端焊接在固定组件上，同时保证2个试板之间能够对称式焊接，试板与固定组件之间形成约束焊缝；
6、s3、待试板恢复室温后，将两个试板进行对称式焊接，两个试板之间形成试板焊缝；
7、s4、待焊接后的试板恢复室温后，在试板上贴双向应变片，所述双向应变片位于第一试板和第二试板中的任意一个上，且双向应变片靠近对应试板的约束焊缝处，所述双向应变片用于测试横向应变εy 、纵向应变εx ；
8、s5、将双向应变片与应变采集设备连接，将双向应变片记录归零，沿着火焰切割线将试板的一端切开，记录切割后双向应变片的数据，其中，火焰切割线和双向应变片位于不同的试板上；
9、s6、根据切割后双向应变片的数据，计算纵向截面力fx、横向截面力fy。
10、本发明的方法简单、试验周期短，能够定量表征船体结构钢宏观焊接残余应力，提高测定残余应力的准确性。
11、进一步地，所述双向应变片粘贴在第一平行线上，所述第一平行线与试板焊缝中心平行，且第一平行线距离试板焊缝中心的距离为l，其中，l≥(2~3)·h，其中，h为试板厚度，单位mm。
12、该设置通过将双向应变片粘贴特定的位置，可以确保双向应变片测量的区域相对远离焊接热影响区的直接干扰，从而更准确地反映试板远离焊缝区域的残余应力状态；还可以减小因材料性能变化而引起的测量误差，提高测量结果的稳定性。
13、进一步地，纵向截面力fx由公式（3）计算得到，横向截面力fy由公式（4）计算得到；
14、fx=a·σx （3）
15、fy=a·σy （4）
16、式中，σx为纵向应力，单位mpa；σy为横向应力，单位mpa，a为双向应变片所在处试板截面积，即试板的宽度和厚度乘积，单位mm²。
17、该设置能够更加直观的反映试板上的不同方向上的应力状态，可以更加全面评估试板在这两个主要方向上的残余应力分布和大小。
18、进一步地，纵向应力σx由公式（1）计算得到，横向应力σy由公式（2）计算得到；
19、σx =e/（1- v2）·（εx + v·εy） （1）
20、σy =e/（1- v2）·（εy + v·εx） （2）
21、式中，εx为纵向应变；εy为横向应变；e为弹性模量，单位mpa； v为泊松比。
22、该设置通过公式进行计算可以显著提高评估的精度，与直接测量应力相比，通过应变计算应力可以消除一些测量误差。
23、进一步地，所述双向应变片可设置多个，且多个双向应变片位于第一平行线上。
24、该设置可以提高评估准确性，能够更细致地了解试板上残余应力的分布情况。这对于识别高应力区域、应力梯度变化以及应力集中现象尤为重要。多个应变片的测量数据可以相互验证，从而提高评估结果的可靠性。
25、进一步地，所述固定组件为刚性框架。刚性框架根据试板的长、宽、高进行设定，刚性框架的尺寸满足2个试板能够对接且能够焊接在试板上。
26、该设置通过刚性框架能够牢固地固定试板，防止在焊接过程中由于焊接热应力导致的试板变形或移动。这种固定和约束作用有助于保持试板的稳定性和一致性，从而确保焊接接头的质量。在焊接过程中，焊接接头会产生较大的热应力和残余应力；
27、更进一步地，所述试板焊接在刚性框架的中部位置。
28、进一步地，第一试板和第二试板关于试板焊缝对称。
29、进一步地，所述火焰切割线与试板上的最近的约束焊缝之间的距离为8~12mm。
30、该设置可以确保评估区域相对远离热影响区的直接干扰。这样，评估结果更能反映试板在常规服役条件下的残余应力状态，而不是受到火焰切割过程热影响的残余应力。且火焰切割过程中产生的热应力和残余应力会影响评估结果的准确性，通过合理设置火焰切割线与约束焊缝之间的距离，可以减少这种影响，从而提高评估的准确性。此外，保持一定的距离还可以避免切割过程中产生的振动和冲击对评估区域造成额外的应力变化。
31、进一步地，所述火焰切割线与试板上的最近的约束焊缝之间的距离为10mm。
32、进一步地，还包括步骤s7，步骤s7为对不同焊材或工艺进行实验，通过对比截面力或应变变化量来快速评估焊接残余应力的大小。
33、进一步地，在步骤s2和s3中，焊接工艺为焊接电流180~200a，电压15~25v，焊接速度30~50cm/min。
34、更进一步地，在步骤s2和s3中，焊接工艺为焊接电流190a，电压20v，焊接速度40cm/min。
35、进一步地，在步骤s1中，加工坡口角度为50~70°。
36、更进一步地，在步骤s1中，加工坡口角度为60°。
37、进一步地，采用有限元方法模拟的方法确定双向应变片粘贴的位置，即第一平行线。
38、再进一步地，在有限元法模拟的方法中，获得刚性框架对焊接试板的边界载荷力并与通过截面应力、截面面积计算得到的载荷力进行对比，验证通过截面应力方法表征边界载荷的可行性。通过刚性框架的约束作用模拟船体结构在实际建造过程中的部分约束条件。通过这种模拟，可以更加真实地评估焊接接头在船舶建造过程中的应力状态和性能表现。
39、再进一步地，在有限元法模拟的方法中，包括如下步骤；
40、s100、建立有限元模型，所述有限元模型包括刚性框架、试板、试板焊缝、约束焊缝。有限元模型中仿真计算是为了获得试板的边界载荷力，设置试板一端与刚性框架通过约束焊缝连接，另外一端为固定约束，通过释放该固定约束，可模拟焊后切割过程，进而获得截面载荷力的变化情况。通过开展焊接过程、约束去除过程有限元仿真，获得距离焊缝中心l1、l2....ln处不同纵向横截面处的应力分布；
41、s200、根据步骤s100中的应力分布情况，确定距离焊缝中心l处的第一平行线位置，即应变片的检测位置；
42、s300、获得刚性框架对焊接试验的边界载荷力，该载荷通过提取软件msc.marc中的“边界载荷”选项中可直接获得；
43、s400、比较步骤s300获得的边界载荷力与通过步骤s1-s6中的截面应力、截面面积计算得到的载荷力，验证通过截面应力方法表征边界载荷的可行性。
44、相对于现有技术，本发明所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，具有以下优势：
45、（1）本发明能够定量表征船体结构钢宏观焊接残余应力；本发明通过截面力或应变直观表征不同焊接材料或工艺的焊接残余应力水平，避免了传统方法只能获得微小局部特征的缺点，与结构的安全直接相关。例如，通过截面力可简单计算结构是否会因残余应力发生失稳破坏，对结构安全具有重要指导意义；
46、（2）本发明的方法简单，工装、设备要求低，测定结果准确；本发明只需通过最常用的双向应变片和应变采集装置，结合火焰切割即可获得宏观焊接残余应力，原理清晰，方法简单易得，很多试验室都具备这些条件；另外本发明使用的刚性框架使用最常用的厚板通过简单机械加工即可获得，加工快，费用低；
47、（3）本发明的方法试验周期短，效果快，能及时对焊接工艺或材料进行评价；本发明在试板焊接结束后，通过冷却至室温并切开后即可立刻获得各设计工况的宏观残余应力，而射线法、盲孔法等传统焊接残余应力测试方法试验周期长，需做各种防护措施，难以满足材料及工艺的快速迭代要求；
48、（4）本发明的试验花费小；本发明仅需数只应变片等耗材，在试验室环境中即可完成，无需委托相关机构进行残余应力测试，节约大量经费。
1.一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，所述双向应变片粘贴在第一平行线上，所述第一平行线与试板焊缝中心平行，且第一平行线距离试板焊缝中心的距离为l，其中，l≥(2~3)·h，其中，h为试板厚度，单位mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纵向截面力fx由公式（3）计算得到，横向截面力fy由公式（4）计算得到；
4.根据权利要求3所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，纵向应力σx由公式（1）计算得到，横向应力σy由公式（2）计算得到；
5.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，所述双向应变片可设置多个，且多个双向应变片位于第一平行线上。
6.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，所述固定组件为刚性框架。
7.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，第一试板和第二试板关于试板焊缝对称。
8.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，所述火焰切割线与试板上的最近的约束焊缝之间的距离为8~12mm。
9.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，所述火焰切割线与试板上的最近的约束焊缝之间的距离为10mm。
10.根据权利要求1所述的一种评估船体结构钢宏观焊接残余应力的方法，其特征在于，还包括步骤s7，步骤s7为对不同焊材或工艺进行实验，通过对比截面力或应变来快速评估焊接残余应力的大小。
