不同對接工藝下焊接殘余應(yīng)力對典型縱骨極限強度的影響研究

李永正 ， 岳亞霖 ， 韋朋余， 曾慶波

（1中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

不同對接工藝下焊接殘余應(yīng)力對典型縱骨極限強度的影響研究

李永正1，2， 岳亞霖1， 韋朋余1， 曾慶波1

（1中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著模塊化造船的發(fā)展和焊接工藝水平的提高，總段合攏的方式正逐步從傳統(tǒng)的“階梯式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙坏洱R”方式。文章運用ANSYS軟件對焊接溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行間接耦合，對不同對接工藝下的船舶縱骨的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得到相應(yīng)的殘余應(yīng)力的分布規(guī)律；并把數(shù)值模擬得到的殘余應(yīng)力作為初始荷載施加到典型縱骨結(jié)構(gòu)上進(jìn)行極限承載力計算。通過對不同對接形式的縱骨結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和試驗研究表明，不同對接形式下焊接殘余應(yīng)力的分布差別較大，對結(jié)構(gòu)的極限強度有一定的影響，為后續(xù)的相關(guān)研究提供了可靠的依據(jù)。

一刀齊；對接焊工藝；焊接殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬；極限強度

1 引 言

隨著模塊化造船的發(fā)展和焊接工藝水平的提高，總段合攏的方式正逐步從傳統(tǒng)的“階梯式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙坏洱R”方式，這意味著不同船體分段中縱骨和外板的對接焊縫將出現(xiàn)在同一位置，從而存在復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的性能有較大的影響[1]，在焊接部位容易產(chǎn)生疲勞裂紋，使得結(jié)構(gòu)的強度和韌性下降，因此對比這兩種對接方式下焊接殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，能更好地為結(jié)構(gòu)強度計算提供研究依據(jù)。

然而現(xiàn)階段對船體焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力還沒有簡單易行的測量方法[2-5]，隨著計算機軟硬件性能的提高和數(shù)值模擬技術(shù)的完善，可以運用有限元方法對某些簡單的焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬計算，然后進(jìn)行驗證試驗來證明其準(zhǔn)確性及可行性，從而對其他焊接構(gòu)件不必再進(jìn)行大量的試驗就可以達(dá)到研究目的。

2 焊接數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)

焊接過程包含的物理現(xiàn)象異常復(fù)雜，其中包括了焊接時的傳熱過程、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]，在焊接數(shù)值模擬過程中，我們著重分析焊接結(jié)構(gòu)的溫度場和應(yīng)力場的瞬態(tài)變化情況。

2.1 焊接溫度場的控制方程及邊界條件

焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的分析，三維瞬態(tài)溫度場控制方程如下：

式中：c為材料比熱容，ρ為材料密度，T為溫度場分布函數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為內(nèi)熱源強度，t為傳熱時間。

焊接溫度場熱交換邊界條件：

有限元單元集成后的矩陣表示形式：

2.2 焊接溫度場的控制方程及邊界條件

焊接熱應(yīng)力場可以看成是材料非線性瞬態(tài)問題，其中包含復(fù)雜的彈塑性變形。處于彈性或塑性狀態(tài)下的材料，其應(yīng)力應(yīng)變滿足以下本構(gòu)關(guān)系：

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為材料比熱容。

在ANSYS中，我們可以采用兩種方式來耦合焊接溫度場和應(yīng)力場，從而求解焊接殘余應(yīng)力，即：間接耦合法和直接耦合法[8]，本文采用前者，即先求解溫度場，得到準(zhǔn)確的節(jié)點溫度后以體載荷的方式施加到應(yīng)力場求解的過程。

3 典型縱骨對接焊數(shù)值模擬

3.1 有限元模型

為了研究縱骨及其帶板在不同對接工藝下焊接殘余應(yīng)力的大小及分布，本文選取了兩種不同對接焊縫布置方式的模型進(jìn)行研究計算，如表1所示。

同位式：采用同一截面對接焊縫，面板1 500×250×8，骨材為10號球扁鋼，面板及骨材焊縫均位于距左端750 mm處的同一截面；有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

交錯式：采用交錯布置對接焊縫，面板1 500×250×8，骨材為10號球扁鋼，面板焊縫位于距左端600 mm處，縱骨焊縫位于距左端900 mm處；有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1 模型幾何尺寸Tab.1 Model geometry

圖1 同位式有限元模型Fig.1 ‘In-plane welded connection’FEM model

圖2 交錯式有限元模型Fig.2 ‘Step join’ FEM model

3.2 材料屬性

模型材料采用某種高強度鋼[11]，材料的物理性能參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)均隨溫度的變化而變化，表2和表3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2 材料熱物理性能參數(shù)Tab.2 Material thermal physical property parameters

表3 材料在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變Tab.3 The stress and strain of materials under different temperatures

3.3 縱骨焊接殘余應(yīng)力分布

縱骨焊接殘余應(yīng)力分布如圖3所示，從圖3（a）中可以看出在同一截面對接焊縫處的焊接殘余應(yīng)力達(dá)到峰值，維持在600-700 MPa之間，隨著距離焊縫越來越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力隨之降低；在骨材與外板的結(jié)合處也分布著較大的焊接殘余應(yīng)力，其值約為600 MPa左右。從圖3（b）中可以看出在交錯式對接工藝下，骨材和外板相應(yīng)的對接焊縫處亦存在較大焊接殘余應(yīng)力，維持在600-700 MPa之間，且相互影響；但骨材和外板結(jié)合處不受其影響。

圖3 不同對接工藝下焊接殘余應(yīng)力（mises）云圖Fig.3 The welding residual stress under different docking process

圖4 同一截面焊接工藝下焊縫處殘余應(yīng)力分布曲線Fig.4 Weld residual stress distribution curve under the same section welding plate

圖5 交錯焊接工藝下外板焊縫處殘余應(yīng)力分布曲線Fig.5 Weld residual stress distribution curve under the step section welding plate

為了更直觀地分析和比較焊縫附近的殘余應(yīng)力的分布情況，沿外板和縱骨焊縫的溶合線處的殘余應(yīng)力分布情況如圖4-5所示。

從圖4中可以得出同位式對接結(jié)構(gòu)的外板和縱骨焊縫溶合線處的殘余應(yīng)力分布情況，外板焊縫處的縱向應(yīng)力是三個方向中最大的應(yīng)力，大小約在300 MPa之間，峰值約為560 MPa。其次為X方向的橫向殘余應(yīng)力，峰值大小約為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，大小約在120 MPa左右。

圖5為交錯式對接結(jié)構(gòu)外板和縱骨焊縫溶合線處的殘余應(yīng)力分布情況，外板焊縫溶合線處的焊接殘余應(yīng)力穩(wěn)定分布在220-280 MPa之間，比焊縫內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力600 MPa低。其中縱向殘余應(yīng)力（平行于焊縫方向的SY）大小為230-300 MPa之間，在板兩端處有所降低。橫向殘余應(yīng)力（垂直焊縫方向的SX）與平板對接焊接的殘余應(yīng)力分布相似，在焊縫中間處存在較低的拉應(yīng)力約為100 MPa，在板的端部則存在壓應(yīng)力，在與外板垂直的Z方向存在一定的拉應(yīng)力，大小約為110 MPa，分布較為均勻。

4 焊接殘余應(yīng)力對典型縱骨極限承載能力的影響

4.1 極限強度的有限元分析

典型縱骨在不同對接工藝下的焊接殘余應(yīng)力，作為初始應(yīng)力施加在有限元模型上，再利用ANSYS進(jìn)行非線性極限強度分析，獲取結(jié)構(gòu)的極限承載能力。

如圖6所示，不同結(jié)構(gòu)形式受拉伸載荷作用下的載荷因子—位移曲線，在加載初始階段，各單元材料處于彈性階段，載荷位移曲線成線性分布；隨著載荷不斷增加，各部分單元先后進(jìn)入塑性階段，由于材料塑性強化模量小于彈性模量，載荷位移曲線斜率逐漸變小，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時曲線接近一條直線，此時，位移不斷增加，載荷不再增加反而有所降低。圖6中的三條曲線分別為無對接焊縫、交錯式對接焊縫和同一截面對接焊縫三種形式下結(jié)構(gòu)的載荷因子—位移曲線。

圖6 不同對接形式下的載荷-位移曲線Fig.6 Load-stress curve under different welding techniques

4.2 試驗結(jié)果對比

利用1 500噸靜態(tài)試驗系統(tǒng)開展不同對接形式典型結(jié)構(gòu)的極限強度試驗，荷載從0 kN開始施加直至結(jié)構(gòu)斷裂失效，試驗得到的最大荷載就是該結(jié)果的極限荷載。

圖7 不同對接形式的極限強度試驗Fig.7 Ultimate strength test of different joint forms

表4列出不同對接形式下縱骨結(jié)構(gòu)的極限載荷：整體式縱骨結(jié)構(gòu)不存在對接焊縫，無殘余應(yīng)力影響，在受載過程中，截面的應(yīng)力分布均勻，逐漸趨于材料的極限強度，結(jié)構(gòu)極限承載能力的數(shù)值模擬值結(jié)果為1 917 kN，試驗值為為1 964 kN，相對誤差為2.4%。交錯式縱骨結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力分布在外板與骨材的焊縫處，在加載階段焊縫處部分單元中的的拉應(yīng)力緩慢增加，逐步達(dá)到塑性階段，其他區(qū)域的應(yīng)力隨著載荷的增加，應(yīng)力值增加，直到與焊縫區(qū)的應(yīng)力值均勻相等，結(jié)構(gòu)極限載荷的數(shù)值模擬結(jié)果為1 835 kN，與試驗值1 874 kN相差在2.1%。同位式縱骨結(jié)構(gòu)中的焊接殘余應(yīng)力集中在外板與縱骨的焊縫交界處，其應(yīng)力變化趨勢與交錯式相近，結(jié)構(gòu)極限載荷的數(shù)值模擬結(jié)果為1 819 kN，與試驗值相差1.3%。

表4 結(jié)構(gòu)極限載荷Tab.4 Structural ultimate load

不同對接形式產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)極限強度有一定程度影響，其中交錯式對接結(jié)構(gòu)的極限荷載與沒有對接焊縫的整體式相比，數(shù)值模擬結(jié)果相對差值為4.2%，試驗結(jié)果相對差值為4.6%；同位式對接結(jié)構(gòu)的極限荷載與沒有對接焊縫的整體式相比，數(shù)值模擬結(jié)果相對差值為5.1%，試驗結(jié)果相對差值為6.3%。通過上述結(jié)果表明，不同對接形式產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)極限強度均有不同程度的影響，其中交錯式對接形式的影響相對較小，同位式對接形式的影響較大。

5 結(jié) 論

（1）交錯式對接焊縫產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布存在縱向焊接殘余應(yīng)力（沿焊縫方向）和橫向殘余應(yīng)力（垂直焊縫方向），且縱向殘余應(yīng)力的值在焊縫及其附近具有最大值，大小接近材料的屈服點。而垂直焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力值的大小比縱向殘余應(yīng)力值小，且向板兩端處遞減，在板兩端處存在較小的壓應(yīng)力，并且在溶合線以外的區(qū)域，殘余應(yīng)力隨著距離焊縫越來越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力值也隨之迅速下降。

（2）同一截面對接焊縫產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力值大小較交錯式結(jié)構(gòu)大，且在帶板和縱骨焊縫交界處的位置，存在應(yīng)力峰值，接近材料的屈服極限，在外板與縱骨連接處，也存在較大的應(yīng)力值，約為材料的屈服點，并且在X、Y、Z方向均存在殘余應(yīng)力，且數(shù)值較大。

（3）縱骨由于其結(jié)構(gòu)的特點，產(chǎn)生了較大的焊接殘余應(yīng)力，在受載時，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力將互相疊加，互相影響，對結(jié)構(gòu)極限強度有一定的影響，其中同位式對接形式的影響相比交錯式對接而言影響更大。因此，在“一刀齊”合攏方式日趨主流的今天，研究船體結(jié)構(gòu)極限強度時，考慮焊接殘余應(yīng)力的影響是非常必要的。

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Effect of welding residual stress under different welding procedures on ultimate strength of typical longitudinal

LI Yong-zheng1,2,YUE Ya-lin1,WEI Peng-yu1,ZENG Qing-bo1

(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

With the development of modular technology and welding procedure,the fold way of ship block has gradually changed from the ‘step joint’ to the ‘in-plane welded connection’.In this paper,the coupling between the welding temperature field and stress field are simulated,and the distributions of the residual stress are obtained under different welding techniques.The results of the residual stress apply to the typical longitudinal to derive the ultimate strength.By analyzing the simulated results and the experiments,the distributions of residual stress are very different under different welding techniques,and the structural ultimate strength is affected.The result provides the reliable basis for follow-up study.

in-plane welded connection;welding process;welding residual stress;numerical simulation；ultimate strength

U661.43

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2014.04.012

1007-7294（2014）04-0441-07

2013-12-26

江蘇省船舶先進(jìn)設(shè)計制造技術(shù)重點實驗室開放研究基金（CJ1202）；江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室資助

李永正（1980-），男，中國船舶科學(xué)研究中心博士生，江蘇科技大學(xué)講師，E-mail:justyzli@163.com；

岳亞霖（1964-），男，中國船舶科學(xué)研究中心研究員。