平面艙壁周界的焊縫研究

余東方吳劍國(guó)朱榮成

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

平面艙壁周界的焊縫研究

余東方1吳劍國(guó)1朱榮成2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

利用焊縫計(jì)算模型法、有限元法對(duì)CSR-OT規(guī)范中平面艙壁周界焊接系數(shù)進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證，以一艘阿芙拉型雙殼油船平面艙壁結(jié)構(gòu)為例，在不同工況荷載作用下，計(jì)算出平面艙壁對(duì)內(nèi)底板處焊縫的焊縫強(qiáng)度利用因子。兩種算法的計(jì)算結(jié)果表明：規(guī)范中此處焊接系數(shù)滿足強(qiáng)度要求且有安全余量。該研究對(duì)進(jìn)一步理解CSR-OT規(guī)范焊接系數(shù)規(guī)格表具有一定參考價(jià)值。

角焊縫；力學(xué)模型；焊縫強(qiáng)度

引 言

船體平面艙壁裝載后會(huì)承受較大側(cè)向荷載，故艙壁周界角焊縫的強(qiáng)度對(duì)保證船體安全非常重要。CSR-OT規(guī)范中規(guī)定了平面艙壁周界焊縫強(qiáng)度并沿用至今，但如何驗(yàn)證實(shí)船的安全性，確定安全裕度，以及規(guī)范是否有優(yōu)化空間等問(wèn)題都有待解答，這也是本文的研究目的。同時(shí)，平面艙壁周界焊縫研究可為密性板材周界焊縫研究提供參考。

角焊縫按受力形式可分為承載焊縫、聯(lián)系焊縫以及雙重性焊縫。在國(guó)內(nèi)，王承權(quán)等人在文獻(xiàn)中指明每類(lèi)角焊縫的強(qiáng)度條件，對(duì)聯(lián)系角焊縫，提出剪切力學(xué)模型，闡述角焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)的涵義及其在填角焊縫設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［1］。吳華峰等人對(duì)船底結(jié)構(gòu)的焊縫強(qiáng)度計(jì)算提出力學(xué)模型，并對(duì)CCS規(guī)范做了實(shí)船驗(yàn)證［2］。國(guó)際上，ISSC-296 為了分析角焊縫的強(qiáng)度，采用有限元方法進(jìn)行大量的角焊縫分析，確定角焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)建模和計(jì)算結(jié)果的有效性［3］。ISSC-323使用簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證ABS規(guī)范中的角焊縫尺寸，并把它們改成更加實(shí)用的形式，較其他規(guī)則更便于設(shè)計(jì)者使用［4］。

本文利用薄板彎曲理論，建立平面艙壁周界角焊縫應(yīng)力模型。根據(jù)角焊縫強(qiáng)度理論，得出焊縫強(qiáng)度利用因子的計(jì)算公式。以一艘阿芙拉型雙殼油船艙壁結(jié)構(gòu)為例，在不同工況荷載作用下，分別通過(guò)焊縫應(yīng)力模型和有限元方法計(jì)算出平面艙壁對(duì)內(nèi)底板處焊縫的應(yīng)力，驗(yàn)證當(dāng)前CSR-OT規(guī)范中艙壁周界焊縫強(qiáng)度。

1 焊縫強(qiáng)度利用因子

為了驗(yàn)證CSR-OT規(guī)范中艙壁結(jié)構(gòu)焊縫的安全性，本文采用有限元方法和焊縫應(yīng)力模型，計(jì)算一艘油船的艙壁焊縫的應(yīng)力，并與角焊縫比較應(yīng)力進(jìn)行比較，獲得了CSR油船焊接規(guī)格表的焊縫強(qiáng)度利用因子。當(dāng)焊縫強(qiáng)度利用因子小于1時(shí)，焊縫滿足強(qiáng)度要求，且利用因子越小，安全余量越大。

焊縫強(qiáng)度利用因子的定義如下：

此處應(yīng)注意兩點(diǎn)：

2 角焊縫強(qiáng)度公式

角焊縫中的應(yīng)力分布較為復(fù)雜（參見(jiàn)圖1），強(qiáng)度計(jì)算中必須加以簡(jiǎn)化，并作以下三個(gè)假定［5］：

圖1 角焊縫的截面應(yīng)力分析

（1）采用沿45°方向的焊縫截面為計(jì)算時(shí)的破壞面；

（2）角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，歐洲設(shè)計(jì)規(guī)范中取相同數(shù)值并記作fvw，d；

（3）在通過(guò)焊縫形心的拉力、壓力和剪力作用下，假定沿焊縫長(zhǎng)度lw方向的應(yīng)力是均勻分布的。

角焊縫強(qiáng)度公式如下［6］：

角焊縫受互相垂直的力Nx和Ny作用見(jiàn)圖1（b）。將焊縫應(yīng)力分解為垂直焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力σf和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力τf，故：

將（3）式代入（2）式，焊接強(qiáng)度公式簡(jiǎn)化如下：

式中：hf為角焊縫的焊角高度；he為角焊縫的焊喉尺寸；σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應(yīng)力；τ⊥為垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力；τ∥為平行于焊縫長(zhǎng)度方向的剪應(yīng)力；fu為相連母材中牌號(hào)較小母材的極限拉伸強(qiáng)度；βw為相關(guān)因子；γMw為焊縫分項(xiàng)系數(shù)（取1.25）；fvw，d為角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（對(duì)與CCSA配套的焊接材料，fvw，d= 208 N/mm2；對(duì)與AH32、AH36配套的焊接材料，fvw，d= 262 N/mm2）。

3 焊縫應(yīng)力計(jì)算方法

艙壁結(jié)構(gòu)主要承受隔艙裝載時(shí)產(chǎn)生的單面?zhèn)认蚝奢d，荷載在艙壁周界產(chǎn)生較大彎矩。此處焊縫的主要作用是傳遞彎矩給舷側(cè)和底板以及其他構(gòu)件。

3.1 模型法

油船艙壁為受均布荷重的船體板。由于荷重和結(jié)構(gòu)都對(duì)稱(chēng)于板格的支座，因此認(rèn)為板的四邊為剛性固結(jié)在剛性支座上［7］。求解薄板的彎曲問(wèn)題，得到板各邊的中點(diǎn)彎矩。焊接邊的彎矩由焊縫承擔(dān)，如艙壁與內(nèi)底板的焊接處，根據(jù)受力平衡可計(jì)算出焊縫上的應(yīng)力大小，如圖2中，長(zhǎng)邊為a、短邊為b的四周剛性固結(jié)受均布荷載q作用的矩形板的彎矩計(jì)算公式如式（5）、式（6）所示。

圖2 四周剛性固結(jié)板

板短邊的中點(diǎn)的彎矩（N·mm/mm）：

板長(zhǎng)邊的中點(diǎn)的彎矩（N·mm/mm）：

式（5）和式（6）中：k1、k2均由查表所得，它隨板的邊長(zhǎng)比a / b而變化。

平面艙壁板被骨材、主要支撐構(gòu)件劃分成若干矩形板，與周界板相連處的矩形板焊接邊的受力情況見(jiàn)圖3。焊縫主要傳遞板邊彎矩，傳遞側(cè)向荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。設(shè)焊腳尺寸為hf，板厚為t，則選取單位長(zhǎng)度板材進(jìn)行受力分析。

圖3 板短邊焊縫受力分析

根據(jù)受力平衡，求解板短邊處焊縫應(yīng)力σf1：

聯(lián)立式（7）、式（8）得出：

同理，板長(zhǎng)邊處焊縫應(yīng)力：

當(dāng)a / b相當(dāng)大時(shí)，k1= 0.057 1，k2= 0.083 3。

3.2 有限元法

計(jì)算一艘雙殼油船的有限元模型，取出所需焊接處立板單元的應(yīng)力，轉(zhuǎn)換得出焊縫立板應(yīng)力。平面艙壁與內(nèi)底板處焊縫以承受拉應(yīng)力為主，故以立板單元上的正應(yīng)力代入式（4）轉(zhuǎn)換后作為焊縫立板應(yīng)力。

4 焊縫強(qiáng)度利用因子實(shí)船驗(yàn)證

本文以一艘阿芙拉型雙殼油船做驗(yàn)證實(shí)例，該船貨艙舷側(cè)區(qū)域采用CCSA，其余采用 AH32。貨艙區(qū)域?yàn)殡p舷側(cè)結(jié)構(gòu)，艙壁采用橫向平板艙壁與縱向平板艙壁結(jié)構(gòu)。

艙段有限元模型的縱向范圍選取貨艙區(qū)的3個(gè)艙，在工況LC1～LC23（各工況分別對(duì)應(yīng)CCS-OT結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中裝載工況）下進(jìn)行有限元計(jì)算，其中LC1～LC19為動(dòng)載工況，LC20～LC23為靜水荷載。取出各個(gè)工況下縱橫艙壁與內(nèi)底板焊接處立板單元的側(cè)向荷載、單元正應(yīng)力。側(cè)向荷載可代入式 （9） 或者式（10）求出的艙壁焊縫的應(yīng)力，通過(guò)式（1）即可求出模型法的焊縫強(qiáng)度利用因子。

實(shí)船驗(yàn)證的艙壁部位為橫艙壁和縱艙壁兩個(gè)部位，如圖4所示，CSR-OT規(guī)范中規(guī)定縱向艙壁、橫向艙壁連至內(nèi)底板焊接系數(shù)為0.51，計(jì)算得到其焊腳尺寸與比較應(yīng)力見(jiàn)表1［8］。

圖4 艙壁位置示意圖

表1 參數(shù)計(jì)算表

各艙壁的焊縫強(qiáng)度利用因子計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 艙壁焊縫強(qiáng)度利用因子MPa

續(xù)表2

模型法與有限元法利用因子匯總見(jiàn)圖5、圖6。

從表2中可知，計(jì)算的焊縫強(qiáng)度利用因子均小于1，所以CSR-OT規(guī)范中規(guī)定艙壁周界焊縫的焊縫強(qiáng)度滿足焊縫強(qiáng)度要求。

圖5 橫艙壁利用因子子

圖6 縱艙壁利用因

從圖5、圖6可見(jiàn)，模型法與有限元法計(jì)算出的利用因子波動(dòng)相似、結(jié)果相近，故模型法能幫助理解規(guī)范焊縫強(qiáng)度規(guī)格表。

5 結(jié) 論

對(duì)某大型雙殼油船平面艙壁周界焊縫的強(qiáng)度利用因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 艙壁周界焊縫的焊縫強(qiáng)度利用因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，艙壁周界處焊縫利用因子最大值為0.69，均值在0.30左右。故CSR-OT規(guī)范對(duì)于此處焊縫強(qiáng)度的設(shè)置是安全的，并有一定的富裕量。

艙壁周界角焊縫要傳遞側(cè)向荷載產(chǎn)生的正應(yīng)力，故CSR-OT規(guī)范中采用較大的焊縫強(qiáng)度，以保證滿足焊縫強(qiáng)度要求。

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

［2］ 吳華鋒，吳劍國(guó)，朱榮成. 船底結(jié)構(gòu)的焊接系數(shù)研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

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

［4］ SSC-323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding［S］. Ship Structure Committee，1984.

［5］ 周浩森，王敏.正面角焊縫的靜載強(qiáng)度及其計(jì)算公式的探討［J］.焊接學(xué)報(bào)，1987（3）：141-151.

［6］ Eurocode 3. Design of steel structures［S］. DD ENV 1993-1-1：1992.

［7］ 陳鐵云，陳伯真.船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1991：72-82.

［8］ 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

Weld study of plane bulkhead perimeter

YU Dong-fang1WU Jian-guo1ZHU Rong-cheng2(1. College of Civil Engineering and Architectural, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China; 2. Shanghai Rules & Research Institute, CCS, Shanghai 200135,China)

This paper carries out the full scale verification of weld coeffi cient of plane bulkhead perimeter in CSROT rules by weld calculation model method and fi nite element method. Making an example of the plane bulkhead structure of a double hull oil tanker in AFRAMAX type, it calculates weld strength utilization factor from the plate bulkhead weld to the inner bottom plate weld under the diff erent working condition. The results from the two methods show that the weld coeffi cient in CSR-OT rules can meet the strength requirements with allowance. This research could provide certain references for the further understanding of the weld coeffi cient specifi cation in CSR-OT rules.

fi llet weld; mechanical model; weld strength

TG405

A

1001-9855（2014）05-0056-06

2013-12-09 ；

2014-01-17

余東方（1989-），男，碩士，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

吳劍國(guó)（1963-），男，博士，教授，研究方向：船舶工程復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)可靠性分析以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

朱榮成（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：船體結(jié)構(gòu)規(guī)范。