船體結(jié)構(gòu)角焊縫的應(yīng)力分析與試驗(yàn)

牛思彬， 吳劍國， 沈傳釗， 朱榮成

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

船體結(jié)構(gòu)角焊縫的應(yīng)力分析與試驗(yàn)

牛思彬1， 吳劍國1， 沈傳釗2， 朱榮成2

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

采用焊縫強(qiáng)度計(jì)算理論、有限元數(shù)值分析及組合鋼構(gòu)件壓彎試驗(yàn)，研究船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力性能。對(duì)比理論分析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，角焊縫剪應(yīng)力的理論計(jì)算方法正確，試驗(yàn)實(shí)測(cè)焊縫剪應(yīng)力的大小及分布與理論焊縫剪應(yīng)力較一致，焊縫剪應(yīng)力的測(cè)定方法可靠，為焊接系數(shù)的驗(yàn)證研究工作打下了基礎(chǔ)。

船體結(jié)構(gòu) 焊縫剪應(yīng)力 試驗(yàn) 有限元

1 引言

現(xiàn)代造船技術(shù)中焊接是船體建造的一項(xiàng)關(guān)鍵工藝，焊接工時(shí)約占總工時(shí)的30%～40%，其中角焊縫占焊縫總長(zhǎng)的80 %～90 %。焊縫設(shè)計(jì)的研究對(duì)保證船體結(jié)構(gòu)的承載能力、減小結(jié)構(gòu)的焊接變形、簡(jiǎn)化船體的裝配工藝、縮短制造周期及降低生產(chǎn)消耗, 具有極為重要的意義[1]。

由于船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與承受荷載的多樣性，船體結(jié)構(gòu)角焊縫應(yīng)力分布的精確計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，常用的一些計(jì)算方法都是在很多假設(shè)的前提條件下進(jìn)行的[2]。

焊接系數(shù)是為方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)而提出，其中不僅融合了大量的結(jié)構(gòu)受力分析，而且包含著試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過多年的演變至今，成為了如今的焊接系數(shù)規(guī)格表。然而，可惜的是焊接系數(shù)規(guī)格表系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)來源已不可循。如何驗(yàn)證現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)焊接系數(shù)的規(guī)定對(duì)于船體結(jié)構(gòu)是否安全已成為一個(gè)亟待解決的問題。

吳華峰等[3]采用鋼結(jié)構(gòu)焊接強(qiáng)度計(jì)算的方法，給出船底結(jié)構(gòu)角焊縫應(yīng)力的計(jì)算模型和船舶結(jié)構(gòu)角焊縫焊接系數(shù)的計(jì)算公式，并對(duì)CCS規(guī)范做了實(shí)船驗(yàn)證。ISSC-296為了分析角焊縫的強(qiáng)度，推薦采用有限元方法大量地分析角焊縫，確定焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類似的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)建模，計(jì)算結(jié)果的有效性[4]。ISSC-323使用簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)方法，通過測(cè)試驗(yàn)證ABS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[5]。本文從焊接強(qiáng)度計(jì)算理論、有限元數(shù)值分析和試驗(yàn)實(shí)測(cè)方面研究角焊縫的受力性能。

2 焊接強(qiáng)度計(jì)算理論分析[6]

直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，通常沿與直角邊成45°方向的最小截面，即計(jì)算高度與焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的乘積作為有效截面。有效截面上的縱向水平剪力為τf，如圖1所示。

圖1 直角角焊縫的有效截面

承受橫向力的板梁中，翼緣板和腹板的連接通過雙面角焊縫實(shí)現(xiàn)，在梁彎曲時(shí)要保證翼緣板與腹板間不產(chǎn)生相對(duì)滑移，即承擔(dān)翼緣板與腹板共同工作時(shí)產(chǎn)生的縱向水平剪力，稱該有效截面上的縱向水平剪力為理論焊喉平均剪應(yīng)力。圖2(a)所示為一焊接工字型截面翼緣板與腹板的角焊縫連接，取長(zhǎng)度為dx的梁段作為隔離體，如圖2(b)所示。根據(jù)焊縫受力情況(見圖2(c))，可建立如下平衡條件：

在彎矩作用下，微段dx的翼緣板受力情況為

式中：S1=Afz1為翼緣板對(duì)截面中和軸y的面積矩。

圖2 翼緣焊縫受力圖

圖2(c)所示翼緣板合力由翼緣板和腹板間角焊縫承擔(dān)，即為有效截面上的縱向水平剪力和有效截面面積的乘積，即

由于

代入(2)式，得理論焊喉平均剪應(yīng)力

式(2)～(4)中：Iy為整個(gè)橫截面對(duì)其中性軸的慣性矩；hf為焊腳高度；τf為理論焊喉平均剪應(yīng)力；V為橫截面上的剪力。

3 模型試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步研究船體構(gòu)件間焊縫的受力性能，設(shè)計(jì)了承受橫向力的組合鋼構(gòu)件的壓彎試驗(yàn)，試驗(yàn)的主要目的為：(1) 觀察并記錄組合鋼構(gòu)件在荷載作用下變形的全過程;(2) 分析角焊縫剪應(yīng)力分布規(guī)律；(3) 提出并驗(yàn)證一種角焊縫剪應(yīng)力測(cè)定方法。

3.1 模型制作

試驗(yàn)采用焊接H型鋼構(gòu)件模擬船體結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的連接。構(gòu)件由2塊10 mm×350 mm和1塊10 mm×190 mm鋼板組成，焊腳尺寸為12 mm，在承受集中力位置的相應(yīng)腹板處，設(shè)置與腹板垂直的局部加勁肋以防止局部失穩(wěn)。兩端支座形式為鉸支座，支座位置位于距構(gòu)件兩端各100 mm處,試件尺寸如圖3所示。

圖3 試件尺寸圖

3.2 測(cè)定原理及方案

試驗(yàn)采用兩點(diǎn)分級(jí)加載,如圖4(a)所示，加載梯度為100 kN～800 kN。剪力圖如圖4(b)所示。在焊喉處粘貼直角三向應(yīng)變花，測(cè)出三個(gè)方向的應(yīng)變值，由公式(5)換算得到焊喉處的表面剪應(yīng)力τ即實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力，以此近似表征焊喉的平均剪應(yīng)力。

圖4 試件加載圖

式中：τ為焊縫表面剪應(yīng)力；G為切變模量；γxy為剪切應(yīng)變；ε0°、ε45°、ε90°分別為用直角三向應(yīng)變花測(cè)得的三向應(yīng)變值。

焊縫做打磨等表面處理后，將應(yīng)變花張貼在焊縫表面。引出導(dǎo)線連接至應(yīng)變測(cè)試儀，應(yīng)變花的位置及張貼方法編號(hào)見圖4(b)、圖4(c)，試驗(yàn)實(shí)圖如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)實(shí)圖

各應(yīng)變花的部分三向應(yīng)變值記錄如表1所示。

表1 應(yīng)變記錄表

續(xù)表1

試驗(yàn)過程中，焊縫未見明顯裂縫，鋼構(gòu)件未見明顯變形。加載至700 kN后，應(yīng)變儀部分接口讀數(shù)歸零，部分接口讀數(shù)快速增長(zhǎng)且不能穩(wěn)定讀數(shù)，說明對(duì)應(yīng)位置處應(yīng)變花、應(yīng)變花某方向上應(yīng)變片失效。

4 有限元數(shù)值分析

采用有限元分析軟件MSC.Patran對(duì)承受橫向集中荷載的組合鋼構(gòu)件進(jìn)行建模分析。

建模時(shí)使用實(shí)體單元，焊縫及周邊部位單元的尺寸為3 mm×3 mm×3 mm，其余部位單元尺寸為3 mm×15 mm×3 mm，圖6(b)所示。腹板和翼緣板相接處節(jié)點(diǎn)不對(duì)齊以模擬焊縫真實(shí)受力情況，加載及邊界條件如圖6(c)所示，計(jì)算后應(yīng)力云圖見圖6(d)。取計(jì)算結(jié)果中各應(yīng)變花對(duì)應(yīng)的焊喉位置處單元沿焊縫長(zhǎng)度方向剪應(yīng)力。

圖6 有限元模型

5 數(shù)據(jù)分析

由理論分析、試驗(yàn)實(shí)測(cè)及有限元建模計(jì)算，得到各應(yīng)變花處實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力，焊喉理論平均剪應(yīng)力，有限元模型焊喉處沿焊縫長(zhǎng)度方向剪應(yīng)力(以下簡(jiǎn)稱為“有限元模型焊喉剪應(yīng)力”)的比較如圖7所示，實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力與焊喉理論平均剪應(yīng)力、有限元模型焊喉處剪應(yīng)力相對(duì)誤差如表2、3所示。

圖7 各應(yīng)變花位置處剪應(yīng)力比較

載荷(kN)應(yīng)變花位置1、2、4均值67200-6.35%0.34%-15.93%300-10.84%-17.60%-17.73%400-13.41%-27.38%-20.57%500-13.20%-32.56%-20.12%600-13.74%-40.05%-16.94%

表 3 實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力與有限元模型焊喉處剪應(yīng)力相對(duì)誤差

伴隨加載過程，實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力、焊喉理論平均剪應(yīng)力、有限元模型焊喉處剪應(yīng)力三者增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，如圖7所示。實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力值處于另兩者之間，由相對(duì)誤差的比較可知，實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力普遍略小于焊喉理論平均剪應(yīng)力，略大于有限元模型焊喉處剪應(yīng)力。

6 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)研究與理論分析計(jì)算，由實(shí)測(cè)表面剪應(yīng)力與焊喉理論平均剪應(yīng)力的對(duì)比表明，角焊縫剪應(yīng)力的理論計(jì)算方法正確，可用于聯(lián)系焊縫的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中角焊縫剪應(yīng)力的測(cè)定方法可靠，可以用于直角角焊縫的焊縫剪應(yīng)力測(cè)定，對(duì)于焊接系數(shù)的驗(yàn)證研究工作具有一定參考價(jià)值。

[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] 崔佳等. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 吳華峰,吳劍國,朱榮成. 船底結(jié)構(gòu)的焊接系數(shù)研究[J]. 船舶,2012,05:43-47.

[4] SSC296. Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding[S].Ship Structure Committee 296,1980.

[5] SSC323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding[S].Ship Structure Committee 323,1984.

[6] Strating J, Van Douwen A A,et al. The influence of a longitudinal stress on the strength of statically fillet welds[J]. Welding in the World,1972,10(5/6):182.

Analysis and Test on Stress of Fillet Weld in Hull Structure

NIU Si-bin1, WU Jian-guo1, SHENG Chuan-zhao2, ZHU Rong-cheng2

(1.College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology,Hangzhou Zhejiang 310032, China; 2.Shanghai Rules & Research Institute,CCS, Shanghai 200135, China)

According to weld strength calculation theory, FEA numerical analysis and bending test of combined steel components, the mechanical performance of fillet weld in hull structure is studied. The contrasting results of theory analysis, numerical calculation and model test indicates the correctness of theoretical calculation method of fillet weld shear stress, the consistency of the test measured value and the theory calculation value, the reliability of this determination method, and the reference value in future study of welding factors verification.

Hull structure Weld shear stress Test FEA

牛思彬(1988-)，男，研究生。

U671

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