基于FEA的某型船設(shè)備基座焊接強(qiáng)度分析及方案優(yōu)化

吳文豪，陳國兵，李 軍，李昆鋒

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

1 引言

焊接是造船、修船過程中的基本手段，是船舶工業(yè)中最重要的加工工藝之一。焊接質(zhì)量直接影響著設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、可靠性、壽命。焊接結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的各種事故中，大都是由焊接強(qiáng)度不足而引起的脆性破壞。焊接強(qiáng)度受焊接材料、焊接方法、熱處理要求、接頭雜質(zhì)含量、焊接應(yīng)力等影響，國內(nèi)外學(xué)者針對不同對象開展了大量研究，如針對環(huán)焊縫裂紋[1]、焊接工藝[2-3]、焊接后熱處理[4]等。

有限元方法是一種發(fā)展迅速的現(xiàn)代計算方法，是研究結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)分析的一種極為有效的工具。將有限元分析技術(shù)與焊接技術(shù)結(jié)合可高效解決焊接工藝過程中的許多實際問題，有效改善焊接施工質(zhì)量。有不少學(xué)者在此方面開展了廣泛的研究。張曉亮等[5]采用有限元法對金剛石復(fù)合片鉆頭焊接強(qiáng)度進(jìn)行分析，并用試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證。黃如旭等[6]則針對復(fù)雜焊接接頭，采用有限元方法分析其疲勞強(qiáng)度，以對其提出的等效熱點應(yīng)力法進(jìn)行驗證。趙磊等[7]采用有限元法對燃油箱T型焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞進(jìn)行計算，并對其壽命進(jìn)行了預(yù)測。江蕾等[8]采用有限元方法模擬渦流激勵下焊縫表面裂紋溫度分布，并通過實驗進(jìn)行了驗證。李功榮等[9]采用熱彈塑性有限元法，分析橫骨架式船底結(jié)構(gòu)焊接過程，分析得到胎架約束力分布規(guī)律。曾祥英等[10]通過熱彈塑性有限元分析方法分別對CO2氣體保護(hù)焊與手工間斷焊仿真分析，明確了CO2氣體保護(hù)焊最佳焊接工藝參數(shù)。徐文娟[11]基于有限元分析技術(shù)對船舶大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行研究，提高了船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。張慶亞等[12]采用輪廓法與基于并行計算技術(shù)的熱彈塑性有限元研究Q235厚板多層多道對接接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力分布及其變化過程。

除了焊接工藝本身的殘余應(yīng)力因素和冶金因素會導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生外，焊接方案的優(yōu)選也是保證焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵。在某型船在建造過程中，由于施工條件限制，部分設(shè)備雙層基座必須采用分段焊接工藝。為權(quán)衡施工成本和基座強(qiáng)度需求，提高施工效率，降低工藝風(fēng)險，本文中采用有限元分析技術(shù)，基于熱彈塑性有限元和固有應(yīng)變理論，針對該型船的工作特點，對設(shè)備基座的五種擬定焊接方案進(jìn)行焊接強(qiáng)度分析，得到焊接方案對焊接強(qiáng)度影響的定量性結(jié)果，用于指導(dǎo)焊接施工和方案選取。

2 設(shè)備雙層基座焊接結(jié)構(gòu)建模及方案

2.1 設(shè)備雙層基座焊接結(jié)構(gòu)建模

該型船采用雙層基座的設(shè)備眾多，且結(jié)構(gòu)尺寸不一，布置形式，位置各異。綜合考慮結(jié)構(gòu)特征和分布，其中以位于船艏，數(shù)量最多的某型設(shè)備基座為分析對象：

1) 設(shè)備參數(shù)：質(zhì)量520 kg，基座為雙層結(jié)構(gòu)如圖1所示，重心位于基座以上950 mm；

2) 焊接形式：焊縫寬8 mm，如圖2所示；

3) 焊接方式：平焊，鐵焊條；

4) 工作條件：左右橫傾10°，周期3 s。

依據(jù)設(shè)計所提供的數(shù)據(jù)，使用Solidworks軟件進(jìn)行參數(shù)化3D幾何建模，設(shè)備雙層基座和焊縫模型分別如圖1和圖2所示。焊縫幾何模型為三棱柱，截面為等腰直角三角形，三棱柱的斜邊長8 mm。焊接位置為上下基座的結(jié)合部。間斷焊接方案中，焊縫的布置位置為：中間部位焊縫等距跨上基座肘板，端部焊縫與上基座端面取齊。

將箱體、上基座、下基座在Soilworks環(huán)境中進(jìn)行裝配，構(gòu)成箱體-基座裝配體幾何模型，如圖3(a)。將幾何模型導(dǎo)入Workbench環(huán)境中，結(jié)合有限元分析需求，進(jìn)一步加工得到其有限元分析模型，如圖3(b)所示。

圖1 基座幾何模型示意圖

圖2 焊縫參數(shù)化3D幾何模型示意圖

圖3 箱體-基座結(jié)構(gòu)裝配體及FEA模型示意圖

2.2 基座焊接方案

針對該雙層基座特點和艙內(nèi)施工條件限制，對以下5種擬定焊接方案(如表1)分析。

表1 雙層基座焊接方案Table 1 Double-layer pedestal welding scheme

焊接方案1、5模型如圖4所示。

圖4 焊接方案幾何模型示意圖

3 雙層基座焊接強(qiáng)度FEA分析

3.1 FEA分析的基本條件

影響焊接強(qiáng)度的因素主要有以下幾類：

1) 尺寸因素：結(jié)構(gòu)形狀尺寸、特性尺寸，布置位置等。

2) 材料性能：箱體-基座結(jié)構(gòu)所用材料的物理性能。

3) 環(huán)境因素：溫度、濕度、振動和沖擊等。

4) 其他因素：焊接工藝、殘余應(yīng)力、載荷加載形式等。

上述因素非常復(fù)雜，全部考慮進(jìn)行FEA分析并不現(xiàn)實，且這樣實施對本文的研究目標(biāo)無益處。本文中主要應(yīng)用FEA技術(shù)分析幾種擬定焊接方案對焊接強(qiáng)度的影響，故在進(jìn)行FEA建模時，對上述次要影響因素進(jìn)行合理簡化，包括：忽略溫度影響、殘余應(yīng)力、材料塑性行為，并合理規(guī)范化焊縫幾何形態(tài)等；同時，對其中必要因素加以保留：如上下基座間的受力屬接觸非線性問題，焊縫3D結(jié)構(gòu)形態(tài)的完整性等，都直接決定焊縫的受力狀態(tài)。

全局坐標(biāo)定義：X向，艦艏艉方向；Y向，舷側(cè)方向；Z向，艦體升沉方向，如圖5(a)所示。本文中所提及的加速度向量a=(aX，aY，aZ)T在上述坐標(biāo)系中定義，aX，aY，aZ分別為a在X、Y、Z方向上的分量。由于實際工作中，船舶受到的海浪載荷是不斷變化的，為全面考慮，基于響應(yīng)面理論中復(fù)合中心抽樣技術(shù)，分別就不同的焊接方案進(jìn)行系統(tǒng)的抽樣FEA分析。a所在向量空間中的每組樣本有15個點，包括1個中心點(即設(shè)計載荷點)、6個軸線點和8個相限點，其示分布如圖5(b)所示。

3.2 FEA分析的具體方法

焊接強(qiáng)度FEA分析主要分為以下幾個步驟：

1) 設(shè)置載荷和邊界條件：底座下端面采用固定約束邊界條件；按復(fù)合中心抽樣策略，在箱體和基座上施加加速度載荷。

圖5 FEA分析全局坐標(biāo)系及抽樣模型示意圖

2) 初步FEA分析。采用四面體單元進(jìn)行粗略網(wǎng)格網(wǎng)格劃分，焊縫、上基座、箱體采用一體化網(wǎng)格，上下基座間設(shè)置摩擦非線性接觸，進(jìn)行FEA預(yù)分析。

3) 材料參數(shù)設(shè)定：視結(jié)構(gòu)材料為線彈性材料，取彈性模量和泊松比分別為E=2.0×105MPa和v=0.3；基座材料密度為7.9×103kg/m3；箱體密度則按幾何模型簡化時的等效尺寸，求得當(dāng)量密度為0.54×103kg/m3。

4) 網(wǎng)格劃分及優(yōu)化：以全局坐標(biāo)系為參照，網(wǎng)格劃分方法采用自動結(jié)合手動控制單元尺寸方法，應(yīng)用適應(yīng)性較好的4節(jié)點四面體單元進(jìn)行劃分。在初步分析基礎(chǔ)上，確定網(wǎng)格優(yōu)化方案。在初步分析的應(yīng)力最大點處，手動在一定范圍內(nèi)細(xì)化網(wǎng)格，同時在遠(yuǎn)端區(qū)域粗化網(wǎng)格，過渡區(qū)域調(diào)整網(wǎng)格質(zhì)量，以在保證計算精度的前提下，壓縮節(jié)點數(shù)量，保證迭代收斂速度，降低計算量。由以上步驟得到的優(yōu)化網(wǎng)格模型示例如圖6所示。

圖6 四周全焊接方案FEA優(yōu)化后網(wǎng)格圖

5) 摩擦條件：為確定上下基座間的非線性接觸面的摩擦條件，對比摩擦因數(shù)分別為0、0.5、1的FEA結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接觸面摩擦因數(shù)的大小對焊縫處應(yīng)力場分布和數(shù)值影響不大，故在分析中取金屬-金屬接觸常用摩擦因數(shù)0.15。

3.3 復(fù)合中心抽樣FEA結(jié)果及分析

3.3.1四周全部焊接方案分析結(jié)果

采用上述FEA分析方案，對15個抽樣點進(jìn)行FEA分析，得到的最大Mises等效應(yīng)力。綜合參考文獻(xiàn)[13-15]中關(guān)于遠(yuǎn)洋海域大風(fēng)浪惡劣海況下，大型船舶平臺上負(fù)載物加速度向量理論分析，結(jié)合設(shè)計所提供的該型船典型加速度數(shù)據(jù)，扣除重力加速度，確定加速度載荷設(shè)計點為a=(3.5，5，-7)T，單位為m/s2。最終得到15個樣本點的分析結(jié)果如表2所示。

表2 四周全焊接方案FEA分析結(jié)果Table 2 Results of the FEA analysis of the four-perimeter all-welded solution

3.3.2其他焊接方案分析結(jié)果

方案2～方案5的分析結(jié)果如表3～表4所示。為表征焊接方案焊縫的承載水平，以方案1為基準(zhǔn)定義“承載系數(shù)”：相應(yīng)焊接方案的焊縫最大應(yīng)力與方案1最大應(yīng)力的比值。承載系數(shù)指示了相應(yīng)焊接方案焊縫受力水平相對于基準(zhǔn)方案的嚴(yán)重程度。

該基座采用的是945號鋼，屈服強(qiáng)度為440 MPa，焊條材料與母材相同。由表3～表4可知：只有方案5的抽樣分析中，最大Mises等效應(yīng)力超過母材屈服強(qiáng)度；且承載系數(shù)大多高達(dá)4～5，最小值也達(dá)到2.5～2.6，與前4種方案相比，焊縫承載水平顯著提高。

表3 焊接方案FEA分析結(jié)果-1Table 3 Results of FEA analysis of welding solutions-1

表4 焊接方案FEA分析結(jié)果-2Table 4 Results of FEA analysis of welding solutions-2

3.3.3對焊接方案的進(jìn)一步分析

1) 通過對5種方案的強(qiáng)度計算，得到5種方案的承載水平排序為：

四周全焊接<四周間斷焊接<長邊雙側(cè)間斷焊接<短邊雙側(cè)間斷焊接

表5給出了5種方案焊縫尺寸因素和承載水平的量化數(shù)據(jù)。其中平均承載系數(shù)為復(fù)合中心抽樣分析結(jié)果中承載系數(shù)的算術(shù)平均值，指示了焊縫相對受力水平。焊接工作系數(shù)為：實際焊縫長度/上基座周長，指示了焊接工作量的大小。由表5中數(shù)據(jù)可知，方案5在近似相同的焊接工作量條件下(甚至高于方案4)，焊縫受力水平顯著提高。結(jié)合具體的最大應(yīng)力分析結(jié)果，應(yīng)排除方案5。

表5 5種焊接方案及其承載水平量化數(shù)據(jù)Table 5 Quantitative comparison of five welding solutions and their load levels

2) 在所有焊接方案中，以上基座肘板下方的局部焊縫受力最為嚴(yán)重，是焊縫的受力得主要貢獻(xiàn)區(qū)域；這類焊縫中又以底座邊線兩端的焊縫承載更為突出，圖7以方案4為例顯示了焊縫中的應(yīng)力分布。故焊接施工中，焊縫應(yīng)盡可能布置于上基座肘板下方；并且應(yīng)特別注意上基座肘板下方焊縫的焊接工藝質(zhì)量控制。

圖7 方案4在某載荷下的Mises等效應(yīng)力云圖Fig.7 Mises equivalent force cloud for scenario 4 under a load

4 結(jié)論

1)在船用設(shè)備基座這類設(shè)備中，焊接方案的設(shè)計是影響焊接強(qiáng)度的重要因素。利用有限元技術(shù)對焊接強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬能有效降低施工成本、風(fēng)險，提高施工效率。

2)由于本研究關(guān)注于焊接方案焊縫強(qiáng)度的影響，對焊縫進(jìn)行了由船體浮態(tài)變化引起的慣性載荷作用下的接觸有限元分析。實際焊縫中可能還存在其他的載荷類型(如沖擊、振動、熱應(yīng)力等)以及其他失效模式(如疲勞、腐蝕等)。

3)結(jié)果分析表明，采用L型焊接形式，焊接強(qiáng)度不夠，裂紋容易產(chǎn)生，實際建造過程中應(yīng)避免這種焊接形式。