牛思彬， 吳劍國， 沈傳釗， 朱榮成

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310032; 2.中國船級社 上海規(guī)范研究所， 上海 200135)

船體結(jié)構(gòu)角焊縫的應力分析與試驗

牛思彬1， 吳劍國1， 沈傳釗2， 朱榮成2

(1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310032; 2.中國船級社 上海規(guī)范研究所， 上海 200135)

采用焊縫強度計算理論、有限元數(shù)值分析及組合鋼構(gòu)件壓彎試驗，研究船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力性能。對比理論分析、數(shù)值計算、模型試驗的結(jié)果表明，角焊縫剪應力的理論計算方法正確，試驗實測焊縫剪應力的大小及分布與理論焊縫剪應力較一致，焊縫剪應力的測定方法可靠，為焊接系數(shù)的驗證研究工作打下了基礎(chǔ)。

船體結(jié)構(gòu) 焊縫剪應力 試驗 有限元

1 引言

現(xiàn)代造船技術(shù)中焊接是船體建造的一項關(guān)鍵工藝，焊接工時約占總工時的30%～40%，其中角焊縫占焊縫總長的80 %～90 %。焊縫設計的研究對保證船體結(jié)構(gòu)的承載能力、減小結(jié)構(gòu)的焊接變形、簡化船體的裝配工藝、縮短制造周期及降低生產(chǎn)消耗, 具有極為重要的意義[1]。

由于船體結(jié)構(gòu)的復雜與承受荷載的多樣性，船體結(jié)構(gòu)角焊縫應力分布的精確計算相當復雜，常用的一些計算方法都是在很多假設的前提條件下進行的[2]。

焊接系數(shù)是為方便設計者進行焊縫設計而提出，其中不僅融合了大量的結(jié)構(gòu)受力分析，而且包含著試驗以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計的經(jīng)驗，經(jīng)過多年的演變至今，成為了如今的焊接系數(shù)規(guī)格表。然而，可惜的是焊接系數(shù)規(guī)格表系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)來源已不可循。如何驗證現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)焊接系數(shù)的規(guī)定對于船體結(jié)構(gòu)是否安全已成為一個亟待解決的問題。

吳華峰等[3]采用鋼結(jié)構(gòu)焊接強度計算的方法，給出船底結(jié)構(gòu)角焊縫應力的計算模型和船舶結(jié)構(gòu)角焊縫焊接系數(shù)的計算公式，并對CCS規(guī)范做了實船驗證。ISSC-296為了分析角焊縫的強度，推薦采用有限元方法大量地分析角焊縫，確定焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類似的實驗檢驗數(shù)學建模，計算結(jié)果的有效性[4]。ISSC-323使用簡單的工程設計方法，通過測試驗證ABS角焊縫尺寸，并把它們改成更加實用的形式，較其他規(guī)則更便于設計者使用[5]。本文從焊接強度計算理論、有限元數(shù)值分析和試驗實測方面研究角焊縫的受力性能。

2 焊接強度計算理論分析[6]

直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，通常沿與直角邊成45°方向的最小截面，即計算高度與焊縫計算長度的乘積作為有效截面。有效截面上的縱向水平剪力為τf，如圖1所示。

圖1 直角角焊縫的有效截面

承受橫向力的板梁中，翼緣板和腹板的連接通過雙面角焊縫實現(xiàn)，在梁彎曲時要保證翼緣板與腹板間不產(chǎn)生相對滑移，即承擔翼緣板與腹板共同工作時產(chǎn)生的縱向水平剪力，稱該有效截面上的縱向水平剪力為理論焊喉平均剪應力。圖2(a)所示為一焊接工字型截面翼緣板與腹板的角焊縫連接，取長度為dx的梁段作為隔離體，如圖2(b)所示。根據(jù)焊縫受力情況(見圖2(c))，可建立如下平衡條件：

在彎矩作用下，微段dx的翼緣板受力情況為

式中：S1=Afz1為翼緣板對截面中和軸y的面積矩。

圖2 翼緣焊縫受力圖

圖2(c)所示翼緣板合力由翼緣板和腹板間角焊縫承擔，即為有效截面上的縱向水平剪力和有效截面面積的乘積，即

由于

代入(2)式，得理論焊喉平均剪應力

式(2)～(4)中：Iy為整個橫截面對其中性軸的慣性矩；hf為焊腳高度；τf為理論焊喉平均剪應力；V為橫截面上的剪力。

3 模型試驗分析

為進一步研究船體構(gòu)件間焊縫的受力性能，設計了承受橫向力的組合鋼構(gòu)件的壓彎試驗，試驗的主要目的為：(1) 觀察并記錄組合鋼構(gòu)件在荷載作用下變形的全過程;(2) 分析角焊縫剪應力分布規(guī)律；(3) 提出并驗證一種角焊縫剪應力測定方法。

3.1 模型制作

試驗采用焊接H型鋼構(gòu)件模擬船體結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的連接。構(gòu)件由2塊10 mm×350 mm和1塊10 mm×190 mm鋼板組成，焊腳尺寸為12 mm，在承受集中力位置的相應腹板處，設置與腹板垂直的局部加勁肋以防止局部失穩(wěn)。兩端支座形式為鉸支座，支座位置位于距構(gòu)件兩端各100 mm處,試件尺寸如圖3所示。

圖3 試件尺寸圖

3.2 測定原理及方案

試驗采用兩點分級加載,如圖4(a)所示，加載梯度為100 kN～800 kN。剪力圖如圖4(b)所示。在焊喉處粘貼直角三向應變花，測出三個方向的應變值，由公式(5)換算得到焊喉處的表面剪應力τ即實測表面剪應力，以此近似表征焊喉的平均剪應力。

圖4 試件加載圖

式中：τ為焊縫表面剪應力；G為切變模量；γxy為剪切應變；ε0°、ε45°、ε90°分別為用直角三向應變花測得的三向應變值。

焊縫做打磨等表面處理后，將應變花張貼在焊縫表面。引出導線連接至應變測試儀，應變花的位置及張貼方法編號見圖4(b)、圖4(c)，試驗實圖如圖5所示。

圖5 試驗實圖

各應變花的部分三向應變值記錄如表1所示。

表1 應變記錄表

續(xù)表1

試驗過程中，焊縫未見明顯裂縫，鋼構(gòu)件未見明顯變形。加載至700 kN后，應變儀部分接口讀數(shù)歸零，部分接口讀數(shù)快速增長且不能穩(wěn)定讀數(shù)，說明對應位置處應變花、應變花某方向上應變片失效。

4 有限元數(shù)值分析

采用有限元分析軟件MSC.Patran對承受橫向集中荷載的組合鋼構(gòu)件進行建模分析。

建模時使用實體單元，焊縫及周邊部位單元的尺寸為3 mm×3 mm×3 mm，其余部位單元尺寸為3 mm×15 mm×3 mm，圖6(b)所示。腹板和翼緣板相接處節(jié)點不對齊以模擬焊縫真實受力情況，加載及邊界條件如圖6(c)所示，計算后應力云圖見圖6(d)。取計算結(jié)果中各應變花對應的焊喉位置處單元沿焊縫長度方向剪應力。

圖6 有限元模型

5 數(shù)據(jù)分析

由理論分析、試驗實測及有限元建模計算，得到各應變花處實測表面剪應力，焊喉理論平均剪應力，有限元模型焊喉處沿焊縫長度方向剪應力(以下簡稱為“有限元模型焊喉剪應力”)的比較如圖7所示，實測表面剪應力與焊喉理論平均剪應力、有限元模型焊喉處剪應力相對誤差如表2、3所示。

圖7 各應變花位置處剪應力比較

載荷(kN)應變花位置1、2、4均值67200-6.35%0.34%-15.93%300-10.84%-17.60%-17.73%400-13.41%-27.38%-20.57%500-13.20%-32.56%-20.12%600-13.74%-40.05%-16.94%

表 3 實測表面剪應力與有限元模型焊喉處剪應力相對誤差

伴隨加載過程，實測表面剪應力、焊喉理論平均剪應力、有限元模型焊喉處剪應力三者增長趨勢一致，如圖7所示。實測表面剪應力值處于另兩者之間，由相對誤差的比較可知，實測表面剪應力普遍略小于焊喉理論平均剪應力，略大于有限元模型焊喉處剪應力。

6 結(jié)論

根據(jù)試驗研究與理論分析計算，由實測表面剪應力與焊喉理論平均剪應力的對比表明，角焊縫剪應力的理論計算方法正確，可用于聯(lián)系焊縫的設計。試驗中角焊縫剪應力的測定方法可靠，可以用于直角角焊縫的焊縫剪應力測定，對于焊接系數(shù)的驗證研究工作具有一定參考價值。

[1] 王承權(quán). 船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力分析與剪切強度系數(shù)[J].武漢理工大學學報，1983,(2):35-42.

[2] 崔佳等. 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范理解與應用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 吳華峰,吳劍國,朱榮成. 船底結(jié)構(gòu)的焊接系數(shù)研究[J]. 船舶,2012,05:43-47.

[4] SSC296. Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding[S].Ship Structure Committee 296,1980.

[5] SSC323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding[S].Ship Structure Committee 323,1984.

[6] Strating J, Van Douwen A A,et al. The influence of a longitudinal stress on the strength of statically fillet welds[J]. Welding in the World,1972,10(5/6):182.

Analysis and Test on Stress of Fillet Weld in Hull Structure

NIU Si-bin1, WU Jian-guo1, SHENG Chuan-zhao2, ZHU Rong-cheng2

(1.College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang 310032, China; 2.Shanghai Rules & Research Institute,CCS, Shanghai 200135, China)

According to weld strength calculation theory, FEA numerical analysis and bending test of combined steel components, the mechanical performance of fillet weld in hull structure is studied. The contrasting results of theory analysis, numerical calculation and model test indicates the correctness of theoretical calculation method of fillet weld shear stress, the consistency of the test measured value and the theory calculation value, the reliability of this determination method, and the reference value in future study of welding factors verification.

Hull structure Weld shear stress Test FEA

牛思彬(1988-)，男，研究生。

U671

A