船舶典型結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的有限元分析

李永正 沈 杰 竇培林

（江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院 鎮(zhèn)江212003）

0 引 言

在船舶建造過程中，從零部件的裝焊到分段的裝配，直至總段合攏的過程中，存在大量縱骨和外板的對接焊縫，這些對接焊縫使結(jié)構(gòu)中存在復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的性能有較大影響［1］，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和韌性下降，并能導(dǎo)致焊接部位產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂；此外，焊接中產(chǎn)生的焊接殘余變形也會(huì)很大程度影響船舶制造的精度控制，從而影響船舶建造的質(zhì)量。

由于焊接殘余應(yīng)力測量復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，現(xiàn)階段船廠各部門還沒有對船體焊接構(gòu)件進(jìn)行殘余應(yīng)力大小的測量。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步，可通過有限元方法對整個(gè)焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)來證明數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與適用性［2-5］，不必進(jìn)行大量試驗(yàn)，就可得到焊接過程中殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算提供研究依據(jù)。

1 焊接數(shù)值模擬

焊接過程包括焊接時(shí)的傳熱過程、金屬的熔化和凝固、金屬的相變問題、焊接殘余應(yīng)力與變形等［6-7］，根據(jù)焊接工藝的特點(diǎn)可以將焊接問題分解為溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場以及顯微組織狀態(tài)場，這種分解對焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析簡化處理特別關(guān)鍵。

1.1 焊接溫度場

非線性三維瞬態(tài)瞬態(tài)溫度場控制方程：

式中：T為溫度場分布函數(shù)；

ρ為材料密度；

λ為導(dǎo)熱系數(shù)；

Q為內(nèi)熱源，表示單位體積消耗的熱能；

C為質(zhì)量比熱容；

Cρ為體積比熱容。

焊接溫度場換熱邊界條件：

式中：K為總換熱系數(shù)；

T0為周圍介質(zhì)的溫度；

有限元單元集成后的矩陣表示形式：

式中：T為溫度剛度矩陣；

C為熱容矩陣；

KT為節(jié)點(diǎn)溫度向量；

1.2 焊接應(yīng)力場

焊接應(yīng)力場彈性塑性變形的根本原因是存在溫度場，在焊接過程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形。應(yīng)力場的本構(gòu)關(guān)系為：

式中：dσ為應(yīng)力增量；

dε為應(yīng)變增量；

dt為溫度增量；

D為彈性或彈塑性矩陣；

C為與溫度有關(guān)的量。

運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行焊接數(shù)值模擬求解焊接殘余應(yīng)力的過程中，主要有兩種方式［8］：間接耦合法和直接耦合法，本文采用前者，即先求解溫度場，再根據(jù)溫度場的分布求解應(yīng)力場的過程。

2 平板對接焊數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

2.1 焊接模擬時(shí)基本假設(shè)

由于焊接過程的隨機(jī)性與復(fù)雜性，在數(shù)值模擬此過程時(shí)，只考慮焊接溫度場對應(yīng)力場的影響，并作出如下假設(shè)：

（1）材料各向同性，隨溫度變化而變化；

（2）忽略熔池流動(dòng)的作用；

（3）焊接單元的溫度為焊喉的溫度，設(shè)置為1 300℃；

（4）焊接環(huán)境初始溫度設(shè)為25℃；

（5）構(gòu)件焊縫區(qū)域只接受熔池區(qū)域的熱傳導(dǎo)作用，忽略其他次要因素。

2.2 有限元模型及工藝參數(shù)

模型選擇厚度為8 mm的兩塊平板，模型具體參數(shù)如表1所示，其中試件1為焊接試件，試件2為固定焊件用的厚板，由于焊接構(gòu)件為薄板，故用試件2固定，減小焊接變形的釋放，便于焊接殘余應(yīng)力的測量。

表1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

焊縫在保持計(jì)算精度的條件下作簡化處理，沒有建立破口，焊縫寬度為5 mm，沿厚度方向分為兩個(gè)焊道進(jìn)行模擬，有限元模型如下頁圖1所示。在焊縫區(qū)域附近的網(wǎng)格劃分細(xì)致，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分較粗。如沿焊縫長度方向近焊縫區(qū)域，網(wǎng)格等分成60份；而在遠(yuǎn)離焊縫的端邊，網(wǎng)格則等分成30份。

焊接模擬時(shí)，采用焊接速度125 mm/min，焊喉初始溫度1 300℃，環(huán)境溫度為25℃，對流換熱系數(shù)62.5 W/m·℃。焊接過程的邊界條件包括溫度場分析的邊界條件和應(yīng)力應(yīng)變分析的邊界條件。應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí)，為防止結(jié)構(gòu)在計(jì)算時(shí)產(chǎn)生剛體位移，故結(jié)合結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)的實(shí)際情況，采用點(diǎn)約束限制板端面各點(diǎn)的所有自由度。

2.3 材料熱物理性能參數(shù)

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

本文假定材料各向同性且均勻，由于焊材的強(qiáng)度、性能與母材相近，故將焊材與母材的性能參數(shù)設(shè)置為材料屬性一致，均為16Mn鋼材。表2與表3所示為各個(gè)溫度下材料的熱物理性能參數(shù)與力學(xué)性能參數(shù)。

表2 16Mn鋼熱物理性能參數(shù)［9］

表3 16Mn鋼熱物理力學(xué)性能參數(shù)

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量值比較分析

通過有限元對焊接過程的模擬分析，得到焊接應(yīng)力場分布。圖2與圖3所示分別為垂直焊縫方向與沿焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力σx與σy的分布云圖。從中可以得出：橫向殘余應(yīng)力σx在焊縫中部處為拉應(yīng)力，約200 MPa；而在焊縫端處則為壓應(yīng)力，約400 MPa；縱向殘余應(yīng)力σy在焊縫處為拉應(yīng)力，約420 MPa。圖4所示為等效殘余應(yīng)力場的應(yīng)力云圖。在焊縫處殘余應(yīng)力均勻分布到達(dá)峰值，約為365 MPa，隨著距離焊縫增大，殘余應(yīng)力隨之減小。除此之外，由于存在約束，在各邊界點(diǎn)的應(yīng)力值也較高。

圖2 橫向殘余應(yīng)力σx

圖3 縱向殘余應(yīng)力σy

圖4 等效殘余應(yīng)力分布

試驗(yàn)測量選取盲孔法對平板對接焊中的殘余應(yīng)力進(jìn)行測量［10］，如圖 5 所示。

圖5 試驗(yàn)測量殘余應(yīng)力

為方便與數(shù)值模擬值比較，試驗(yàn)直接測得焊縫熔合線處的縱向殘余應(yīng)力與焊縫垂直的中心線上的縱向殘余應(yīng)力，對比分析如圖6與圖7所示。

圖6 溶合線處的縱向殘余應(yīng)力

圖7 與焊縫垂直的中心線上的縱向殘余應(yīng)力

總體看來，采用數(shù)值模擬技術(shù)得到的焊接殘余應(yīng)力分布曲線和趨勢與試驗(yàn)值相吻合，因此有限元方法可用于薄板、平板對接焊過程。在此基礎(chǔ)上，下文將進(jìn)行對某艦船典型縱骨的對接焊數(shù)值模擬分析，對殘余應(yīng)力大小及分布規(guī)律進(jìn)行研究。

3 典型縱骨對接焊數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

典型縱骨的幾何尺寸與對接焊縫位置如表4所示，采用同一截面對接焊縫，面板尺寸為1 500 mm×250 mm×8 mm，骨材為10號(hào)球扁鋼，面板與骨材焊縫位于中點(diǎn)750 mm同一截面處。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖8所示。

表4 縱骨幾何尺寸

圖8 典型縱骨有限元模型

3.2 材料屬性

模型材料采用某種高強(qiáng)度鋼［11］，材料的物理性能參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)均隨溫度變化而變化，表5、表6給出了各溫度下的材料熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)。

表5 材料熱物理性能參數(shù)

表6 材料在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變

3.3 縱骨焊接殘余應(yīng)力分布

圖9為縱骨焊接殘余應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，在焊縫處的焊接殘余應(yīng)力達(dá)到峰值；隨著距離焊縫越來越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力隨之降低。在骨材與外板交界處，焊接殘余應(yīng)力也較大。

圖9 縱骨對接焊殘余應(yīng)力（mises）云圖

圖中所示為焊縫同一截面布置下，模型節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力場分布情況。從圖中可以看出，焊縫處應(yīng)力較大，在600 MPa～700 MPa之間。外板與骨材連接處也存在較大殘余應(yīng)力，其值約為600 MPa。為了清晰直觀地表達(dá)焊縫處的應(yīng)力值，分別繪制了外板與骨材上的應(yīng)力分布曲線，如圖10與下頁中圖11所示。

從圖中可以看出外板焊縫融合線處的殘余應(yīng)力分布情況。圖10和圖11中的（a）為等效應(yīng)力分布圖，（b）為坐標(biāo)軸中的X、Y、Z三向應(yīng)力分布，外板焊縫處的縱向應(yīng)力是三個(gè)方向中最大的應(yīng)力，大小在300 MPa之間，峰值約為560 MPa。其次為X方向的橫向殘余應(yīng)力，峰值約為330 MPa，在板兩端處存在壓應(yīng)力。Z向的應(yīng)力則基本為恒定的壓應(yīng)力，大小在120 MPa左右。由此可見，在焊縫交界處，三個(gè)方向都存在殘余應(yīng)力；骨材焊縫處的三個(gè)方向殘余應(yīng)力在一定范圍內(nèi)基本恒定，在各焊縫交界處存在較大應(yīng)力。

圖10 外板焊縫處殘余應(yīng)力分布曲線

圖11 骨材焊縫處殘余應(yīng)力分布曲線

4 結(jié) 論

（1）縱骨對接焊縫處的殘余應(yīng)力，平行于各焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力最大，垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力小于縱向殘余應(yīng)力。距離焊縫越遠(yuǎn)殘余應(yīng)力值越小，板寬兩端處為較低壓應(yīng)力。

（2）由于互相約束，焊接變形不易釋放，在骨材與外板交界處存在一定大小的焊接殘余應(yīng)力。由于骨材與外板的垂直關(guān)系，使得坐標(biāo)的X、Y、Z三個(gè)方向都存在焊接殘余應(yīng)力，而不是平板對接焊中的平面內(nèi)殘余應(yīng)力。

（3）縱骨由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，產(chǎn)生較大焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)受載時(shí)，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力互相疊加、互相影響，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命必然會(huì)有影響。因此，在研究船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度時(shí)，考慮焊接殘余應(yīng)力的影響非常必要。

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