船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法

朱道峰

(中國船級社 天津分社，天津 300457)

0 引 言

船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接是提高船舶結(jié)構(gòu)的極限強度的關(guān)鍵，隨著造船技術(shù)的發(fā)展，對船體的總體抗拉能力和斷裂破壞響應(yīng)控制能力提出更高的要求，船體在受到惡劣海洋和風(fēng)浪環(huán)境下會導(dǎo)致斷裂破壞，需要對船體分段鋼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的焊接工藝設(shè)計，提高船體分段鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性的同時，提高整體強度。本文研究船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法，在提高船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝的同時，提高船體的整體結(jié)構(gòu)強度，相關(guān)的焊接變形控制方法研究受到人們的重視[1]。

對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制研究中，通過較大循環(huán)載荷作用下的累積應(yīng)力特征分析，結(jié)合對累積塑性破壞與疲勞斷裂破壞的交互特點，采用船體結(jié)構(gòu)總體失效作為約束對象，進行變形控制，但當(dāng)前方法對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制中存在極限承載性能控制響應(yīng)不好以及疲勞裂紋擴展較大等問題[2]。

針對上述問題，本文提出一種新的船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法，并驗證了本文方法的優(yōu)越性能。

1 船體分段鋼結(jié)構(gòu)強度分析

1.1 船體分段鋼結(jié)構(gòu)加筋板試件的載荷分析

為了實現(xiàn)對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制分析，構(gòu)建船體分段鋼結(jié)構(gòu)船體板和加筋板試件的載荷分析模型，采用船舶中小組立自動化焊接技術(shù)，分析累積塑性損傷和疲勞裂紋損傷特性，采用Von Karman提出的矩形板件所能承受的臨界應(yīng)力分析船體分段鋼結(jié)構(gòu)的屈服像移，用be表示的臨界應(yīng)力[3]，構(gòu)建船體分段鋼結(jié)構(gòu)加筋板試件載荷分布的Von Karman方程：

式中：be為船體分段鋼結(jié)構(gòu)的有效板寬，b為實際船體分段鋼結(jié)構(gòu)的板寬，σult為焊接強度與焊后船體水密的最大平均應(yīng)力（后稱極限強度），σY為材料的屈服強度，β為各種平直、彎曲的構(gòu)件的柔度系數(shù)，β=

通過分析船舶建造過程中根據(jù)各部位的不同需求，結(jié)合柔度系數(shù)分析，將曲柄軸直接連接在直齒輪，進行焊接過程控制，得到弧線焊縫的焊接屈服像移為：

式中：C1和C2分別為弧點附近的應(yīng)變特性，β為初始撓度的船體板分量，取C1=2，C2=1；載荷都由板的有效板寬部分承擔(dān)。

定義船體板中最容易啟裂的位置分量

式中，σe為板邊應(yīng)力，代入式(2)則裂紋局部應(yīng)變能密度：

式中：σ為裂紋局部應(yīng)變能密分布下的平均作用應(yīng)力，be為到達(dá)后屈曲狀態(tài)時板有效寬度。

由此建立船體分段鋼結(jié)構(gòu)加筋板試件的載荷分析模型，根據(jù)變形參數(shù)控制，進行應(yīng)力特征分析[4]。

1.2 循環(huán)載荷下船體板的極限強度解析

采用裂紋尖端應(yīng)力場分析的方法，進行循環(huán)載荷下船體板的極限強度解析，得到裂尖附近的能量狀態(tài)分量，采用船體板的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變曲線進行變形控制特征分析[5]，得到載荷分布關(guān)系：

設(shè)船體分段鋼結(jié)構(gòu)板件的有效寬度在板件到達(dá)崩潰的變形控制方向：

假定板邊的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相同，分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Stress-strain relationship and material stress-strain relationship curve

基于應(yīng)變能密度的動態(tài)分析，得到裂尖區(qū)域應(yīng)變能密度場大小表示為：

由式(6)和式(7)就能得到船體板船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形通知在單調(diào)壓縮荷載下的無量綱化的平均應(yīng)變εˉ與無量綱化平均應(yīng)力σˉ關(guān)系的方程式：

根據(jù)對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制的強度解析結(jié)果，進行變形/應(yīng)變的計算。

2 船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制優(yōu)化實現(xiàn)

建立循環(huán)載荷幅值響應(yīng)與裂紋分布的動態(tài)分布關(guān)系，根據(jù)單調(diào)載荷下船體板的極限強度的應(yīng)變特征分析和動態(tài)反饋調(diào)整，計算得到開裂角θc(也稱擴展角)，橫裂紋的裂紋擴展計算模型為：

式中：εi,max為裂紋尖端附近的材料的屈服應(yīng)變；εy為船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接的屈服應(yīng)變；εi為船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接鋼材在第i圈的累積塑性應(yīng)變；εu取船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的動態(tài)應(yīng)變值；λ=0.008 1；N為循環(huán)載荷的循環(huán)周數(shù)。

根據(jù)焊接裂紋的上、下表面發(fā)生接觸的動態(tài)響應(yīng)，得的變形退化公式為：

式中：σY,i和σY,i+1分別為第i次和i+1次的船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的屈服強度；Ei和Ei+1分別為第i次和i+1次的彈性模量。

基于循環(huán)塑性區(qū)的動態(tài)響應(yīng)分析，得到變形控制的動態(tài)卡門方程(Karman equation)如下：

在HRR應(yīng)力-應(yīng)變場分析基礎(chǔ)上進行屈曲模態(tài)分析，根據(jù)彈性模量得到輸出的彈性模量分析方法w1=w?w0，應(yīng)力應(yīng)變場表示為：

式中：W0和W分別表示偏應(yīng)力張量和總撓度幅值。

基于屈服面分析的方法，屈服準(zhǔn)則用來描述材料的塑性變形，其屈服面方程為：

式中：f為船體分段鋼結(jié)構(gòu)的屈服面的函數(shù)，s為船體分段鋼結(jié)構(gòu)偏應(yīng)力張量，α為背應(yīng)力張量，σ0為船體分段鋼結(jié)構(gòu)的初始屈服應(yīng)力，(σ0+R)為屈服面半徑大小，R為非線性各向同性硬化特征，由此得到背應(yīng)力表征材料的包辛格效應(yīng)分布：

式中：Q為背應(yīng)力演化的料參數(shù)，b為屈第n+l次循環(huán)屈服面的演化變化率，p為等效塑性應(yīng)變累積值。

綜上分析，根據(jù)單調(diào)載荷下船體板的極限強度的應(yīng)變特征分析和動態(tài)反饋調(diào)整，在累積塑性應(yīng)變達(dá)到材料斷裂應(yīng)變εf時，通過微小疲勞單元響應(yīng)控制，實現(xiàn)對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制。

3 仿真測試

實驗中給出船體分段鋼結(jié)構(gòu)的承受軸壓時裂紋彈性模量E=2.24×105MPa，壓縮載荷的屈服應(yīng)力σY=124.6 MPa，泊松比v=0.3，幾何尺寸如表1所示。

表1 船體分段鋼結(jié)構(gòu)的幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of hull segmented steel structures

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形von Mises應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形應(yīng)力云圖Fig.2 Cloud chart of welding deformation stress of hull segmented steel structure

可知，本文方法能有效實現(xiàn)對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制，單邊裂紋控制能力較好，測試不同循環(huán)載荷幅值下4種裂紋分布模型板上裂紋長度-循環(huán)次數(shù)曲線，如圖3所示。分析可知，本文方法對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制能力較強，裂紋板極限強度值的誤差很小, 降低變形屈服響應(yīng)，提高極限承載性能。

圖3 不同循環(huán)載荷幅值下4種焊接變形分布模型板上裂紋長度-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.3 Curve of crack length cycle number for four types of welding deformation distribution models under different cyclic load amplitudes on the plate

4 結(jié) 語

本文研究了船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法，提高船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝的同時，提高船體的整體結(jié)構(gòu)強度。測試結(jié)果表明，本文方法對船體分段鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制能力較強，裂紋板極限強度值的誤差很小, 降低變形屈服響應(yīng)，提高船舶結(jié)構(gòu)強度。