初始撓度對加筋板結(jié)構(gòu)焊接屈曲變形的影響

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(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

焊接作為一種可靠、高效的連接方法，被廣泛地應用于船舶與海洋工程行業(yè)。由焊接引起的結(jié)構(gòu)變形不僅影響船舶和海洋平臺的制造精度，還可能降低結(jié)構(gòu)性能，因此，預測和控制焊接變形對于船舶和海洋平臺高質(zhì)量建造具有重要的意義。國內(nèi)外眾多學者對船舶和海洋平臺焊接問題進行廣泛的研究，周宏等[1]利用上海交通大學和日本大阪大學共同開發(fā)的基于固有應變的Weld-sta軟件，對大型集裝箱船的船體總段船臺合龍焊接變形進行預測，為船體總段合龍時補償量的確定提供數(shù)據(jù)支持和理論指導。陳建波等[2]用熱彈塑性有限元法對大型復雜結(jié)構(gòu)分段多道焊的焊接變形進行分析，為控制焊接變形提供理論依據(jù)。WANG等[3]用固有應變法對大型船體板架的焊接變形進行預測，并且研究線加熱對焊接屈曲變形的有效控制。

當前，船體結(jié)構(gòu)設計趨向于輕型化，薄板結(jié)構(gòu)的使用日漸增多。ZAEEM等[4]運用ERT技術(shù)對薄鋁T型接頭的焊接屈曲變形進行預測，模擬結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的吻合度較高。陸?zhàn)┑萚5]基于固有應變法對不同焊接工藝條件下的低碳鋼薄板對接焊變形進行研究，考慮薄板不平整度的影響，比較數(shù)值分析與試驗測量結(jié)果，并且對有加強筋板分段結(jié)構(gòu)的焊接變形進行預測。

本文采用熱彈塑性有限元法模擬加筋板結(jié)構(gòu)單邊焊的焊接過程，運用板殼單元model[6]建立結(jié)構(gòu)有限元模型，以提高計算效率，研究焊接熱輸入和初始撓度對焊接屈曲變形的影響。

1 研究對象

1.1 幾何模型

圖1 結(jié)構(gòu)幾何尺寸 圖2 焊接順序及焊腳分布

1.2 有限元模型

采用順序耦合的熱彈塑性有限元法進行焊接過程的模擬。先進行熱分析獲得焊接過程的溫度場分布，然后將溫度場結(jié)果作為外載荷施加在結(jié)構(gòu)分析模型上，計算焊接變形和應力。計算模擬采用Abaqus/Standard軟件實現(xiàn)，有限元模型如圖3所示，面板和加強筋采用板單元建模，并且在板單元厚度方向設置5個截面積分點，焊腳采用實體單元建模，通過建立線性約束方程綁定板單元和實體單元間對應點的溫度自由度。在溫度梯度變化大的焊縫及其附近區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，為5 mm×1.5 mm，在遠離焊縫區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格劃分。

為了提高計算效率并保證計算精度，將整個多筋板劃分為3個子結(jié)構(gòu)，每個子結(jié)構(gòu)包含1根加強筋及其附近的面板，如圖3所示。各子結(jié)構(gòu)的溫度場分別獨立計算。焊接過程中多筋板處于自由狀態(tài)，為了限制結(jié)構(gòu)的剛體位移，在應力場計算時設置如圖3所示的邊界條件。面板和加強筋采用的材料均為EH 36鋼，其熱物理及力學性能參數(shù)隨溫度的變化而變化，如圖4所示。

圖3 有限元模型 圖4 材料屬性

1.3 熱源模型

焊接模擬采用由高斯面熱源和均勻體熱源組成的混合移動熱源模型[6]，其中，高斯面熱源施加在面板和加強筋的表面，占總熱輸入的40%，均勻體熱源施加在焊腳部分，占總熱輸入的60%，2種熱源的具體分布表達式見文獻[6]。散熱系數(shù)和室溫分別設置為15×10-6W/(mm2·℃)和20℃。計算模型的準確性驗證見文獻[6]。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 溫度場結(jié)果

焊接過程中熱源移動時焊縫附近的溫度場分布云圖如圖5所示，可以看出：熱源中心區(qū)域的溫度接近2 400 ℃，沿著熱源移動方向熱源中心前部的溫度梯度明顯大于熱源中心后部。在垂直于焊縫的橫截面上分別于面板上表面取A,B,C,D,E 5點，各點至加強筋中面的距離分別為5.1 mm,9.3 mm,14.3 mm,19.5 mm,30 mm。圖6是5個點的溫度歷程曲線，可以看出：在焊縫附近的點A，焊接時溫度迅速上升到約2 250 ℃后緩慢降至室溫，離焊縫越遠的區(qū)域最高溫度越低，點E焊接時的最高瞬時溫度約190 ℃。

圖5 焊接瞬時溫度場分布云圖 圖6 同一橫截面上若干點溫度歷程

2.2 應力場結(jié)果

圖7是焊接完成后加筋板在z方向垂向變形U3的分布云圖，可以看出：加筋板結(jié)構(gòu)焊接變形的主要特征為整體縱向彎曲，位于加強筋1和加強筋3外側(cè)板的變形明顯大于加強筋之間板格的變形。

為研究熱輸入對加筋板結(jié)構(gòu)焊接變形的影響[7]，本文分別針對5種不同熱輸入工況進行焊接計算。熱輸入大小分別為原來熱輸入(730.6 J/mm)的0.75倍、1.25倍、1.5倍、1.75倍和2倍，其余焊接條件和參數(shù)保持不變。圖8是2倍熱輸入下焊接完成后U3的變形云圖，可以看出：整體縱向彎曲變形仍是多筋板變形的主要特征，在面板沿縱向邊緣出現(xiàn)明顯的波浪變形，表明增大焊接熱輸入會導致面板發(fā)生屈曲，使加筋板的焊接變形模式更為復雜。

圖7 1倍熱輸入變形云圖 圖8 2倍熱輸入變形云圖

在不同熱輸入下焊接不同階段的面板垂向變形U3的均方根值(Root Mean Square,RMS)見表1，該RMS也反映了加筋板面外變形的大小。從表1中可以看出：隨著熱輸入的增加，每根加強筋焊完后的RMS也隨之增大，當熱輸入增加到一定值時，RMS的大小趨于穩(wěn)定，例如在1.75倍和2倍熱輸入的情況下，RMS的最終值幾乎相等。原因是：當熱輸入較小時，結(jié)構(gòu)彈性變形占主導，加大熱輸入將產(chǎn)生更大的彈性變形；當熱輸入較大時，塑性變形所占比例增加，增加的熱輸入更多地轉(zhuǎn)化為焊縫附近材料的塑性應變，因此對于結(jié)構(gòu)整體變形大小變化不明顯。

表1 不同熱輸入下面板垂向變形U3均方根(RMS)

3 初始撓度對屈曲變形的影響

3.1 焊接誘導的屈曲變形

圖9是在3倍熱輸入下每根加強筋焊完后的多筋板U3變形云圖，可以看到明顯的縱向和橫向屈曲變形情況。隨著熱輸入的增加，面板內(nèi)的殘余壓應力也隨之增大，當殘余壓應力值超過結(jié)構(gòu)屈曲臨界應力時，板格發(fā)生屈曲。在面板長邊出現(xiàn)若干縱向的變形半波，短邊位于相鄰2根加強筋之間出現(xiàn)1個橫向變形半波。加強筋1和加強筋3外側(cè)板的屈曲變形大于加強筋之間板的屈曲變形，加強筋的支撐作用對于結(jié)構(gòu)屈曲有一定的影響。

圖9 3倍熱輸入屈曲變形云圖

3.2 初始撓度

圖10 初始撓度示意圖

板材在焊接前的切割、加工和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)不可避免出現(xiàn)初始撓度。為研究初始撓度對加筋板屈曲變形的影響，在面板2條長自由邊上沿縱向施加正弦半波分布的初始撓度u，如圖10所示。分布函數(shù)為

式中：A為正弦半波的振動幅值，分別取5 mm，10 mm和20 mm；y為長邊上的點到面板短邊的距離。

3.3 不同初始撓度下的焊接屈曲變形

圖11是加筋板在3倍熱輸入和不同初始撓度下的焊接屈曲變形，可以看出：面板邊緣的波浪變形和加強筋之間板格的凹陷變形是2種典型的屈曲變形模式，較大初始撓度和高熱輸入會產(chǎn)生更嚴重的屈曲變形和更少的變形半波數(shù)；當初始撓度的幅值增加到20 mm時，面板長邊的縱向屈曲變形半波數(shù)從10個減少到8個(如圖11 b)和d)所示)。從圖11c)可以看出：加強筋2右側(cè)板格的屈曲變形波數(shù)小于左側(cè)板格，主要是由單邊焊左右熱輸入的差異造成的。

圖11 不同初始撓度下結(jié)構(gòu)屈曲變形

圖12 面板和加強筋2結(jié)合處U3變形

圖12是面板和加強筋2結(jié)合處的焊接面外變形U3曲線，可以看出：變形特征為整體的縱向中拱彎曲，并且初始撓度幅值越大，變形越大，說明初始撓度降低了結(jié)構(gòu)的剛度。

4 結(jié) 論

采用熱彈塑性有限元法研究加筋板結(jié)構(gòu)的焊接屈曲變形問題，討論焊接熱輸入和板的初始撓度對焊接屈曲變形的影響，結(jié)論如下：

(1) 焊接面外變形隨著熱輸入的增加呈增大趨勢，但當熱輸入超過一定量值時，焊接面外變形大小受熱輸入的影響不明顯。增大焊接熱輸入易激發(fā)加筋板的屈曲變形。

(2) 初始撓度對加筋板焊接屈曲變形影響顯著，較大初始撓度會減少結(jié)構(gòu)屈曲變形的半波數(shù)，使屈曲變形更嚴重，結(jié)構(gòu)整體縱向中拱彎曲變形增大。

[1] 周宏,羅宇,蔣志勇.基于固有應變的船體總段船臺合龍焊接變形預測研究[J].船舶力學,2013,17(10):1153-1160.

[2] 陳建波,羅宇,龍哲.大型復雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析[J].焊接學報,2008 (04)：69-72.

[3] WANG J,RASHED S,MURAKAWA H,et al.Numerical Prediction and Mitigation of Out-of-Plane Welding Distortion in Ship Panel Structure by Elastic FE Analysis[J].Marine Structures,2013,34(04):135-155.

[4] ZAEEM M A,NAMI M R,KADIVAR M H.Prediction of Welding Buckling Distortion in a Thin Wall Aluminum T Joint[J].Computational Materials Science,2007,38(04):588-594.

[5] 陸?zhàn)?陳俊梅,陳家本.薄板結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬及其應用[J].電焊機,2007,37(06):71-74.

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