不同約束條件下T型板殘余應(yīng)力及極限強(qiáng)度研究

祁 斌，王慶豐，徐 驍，章 瑤

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

船舶及海洋平臺的焊接結(jié)構(gòu)件不可避免地會存在焊接殘余應(yīng)力和殘余變形等初始缺陷。這些初始缺陷不僅影響船舶裝配精度，還會降低船舶剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等，嚴(yán)重影響船舶運(yùn)行的安全性。

極限強(qiáng)度表征了結(jié)構(gòu)由于剛度和強(qiáng)度的損失而造成的崩潰，是對船舶強(qiáng)度深入評估的補(bǔ)充。馮國慶等利用熱彈塑性有限元應(yīng)力場得到焊接殘余應(yīng)力與變形后進(jìn)一步分析了焊接初始缺陷對船體梁極限彎矩的影響。魯鵬等以船用高強(qiáng)度鋼EH36厚板焊接作為研究對象，分析了不同約束邊界情況下焊接殘余應(yīng)力的分布情況。宋丹等運(yùn)用Abaqus軟件進(jìn)行焊接順序耦合的模擬，得到了甲板分段焊接殘余應(yīng)力和變形的分布情況。陳彥廷等對加筋板屈曲強(qiáng)度及極限強(qiáng)度的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。上述文獻(xiàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了焊接仿真模擬并得到了結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形，但未對結(jié)構(gòu)含初始缺陷情況下軸向受載失穩(wěn)進(jìn)行研究。

本文將基于ANSYS Workbench軟件通過熱彈塑性有限元的分析方法對T型構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力及變形進(jìn)行分析研究，討論焊接初始缺陷對T型結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響。

1 研究對象

內(nèi)河小型船舶一般使用橫骨架式甲板結(jié)構(gòu)，由甲板橫梁、甲板縱桁、強(qiáng)橫梁等構(gòu)件組成。本文將以典型的甲板縱桁的焊接作為研究對象，采用EH36船用高強(qiáng)度鋼，其縱桁尺寸和焊縫情況見圖1。圖中：縱桁跨距為600 mm，船體外板厚度為5 mm，T型材腹板高度為150 mm，厚度為8 mm，底板寬度取縱向骨材的間距為300 mm。焊腳的尺寸與焊件的厚度相關(guān)，取4 mm。

1、2—分別為第1道焊和第2道焊縫順序。

2 有限元模型

根據(jù)T型板結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元分析模型：原點(diǎn)坐標(biāo)位于面板中心焊接熱源起始位置，

X

軸方向?yàn)榇怪庇诤缚p方向(向右為正)，

Y

軸方向?yàn)闊嵩匆苿臃较?沿第1條熱源移動方向?yàn)檎?，

Z

軸方向?yàn)榇怪庇诿姘宸较?向上為正)。模型見圖2。

由于焊縫處單元溫度變化梯度較大，對焊縫處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格大小為2 mm×2 mm；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的部分溫度變化梯度較為平緩，過渡區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為3 mm×3 mm；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為5 mm×5 mm。

圖2 焊接有限元模型網(wǎng)格

本文根據(jù)不同厚度的板材二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接工藝規(guī)范制訂焊接工藝。主要參數(shù)如下：電流230 A，電壓21 V，焊接速度8 mm/s。

選用合適的熱源不僅可以準(zhǔn)確模擬出焊接過程中熱量的分布情況，還能在保證計算結(jié)果精度的同時減少計算時間。本文將選擇平面高斯熱源作為焊接熱源模型，其表達(dá)式為

式中：

q

為熱流密度，W/m；

η

為焊接熱效率,

η

=0.8；

U

為焊接電壓,

U

=21 V；

I

為焊接電流,

I

=230 A；

x

、

y

為焊接起始位置，

x

=0,

y

=0；

v

為焊接速度，

v

=8 mm/s；

t

為焊接時間，

t

=75 s；

R

為熱源半徑，

R

=5 mm。經(jīng)計算，

q

=7

.

5e7 W/m。

3 焊接初始缺陷的模擬

3.1 溫度場分析

通過ANSYS Workbench軟件進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，設(shè)置對流換熱系數(shù)為20 W/(m·K)，忽略熱輻射的影響。首先焊接骨材左側(cè)的焊縫，焊后冷卻1 000 s，待焊件溫度降至室溫后再對另一側(cè)焊縫進(jìn)行焊接。第1道焊縫焊接進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時溫度分布情況見圖3。熱源沿焊縫方向移動，熱源加載區(qū)域內(nèi)的能量比較集中，溫度最高達(dá)到了1 500 ℃。從圖4可以觀察到，焊接熱輸入已經(jīng)將T型板的板材融化，焊接熔池形狀基本固定不變。

3.2 殘余應(yīng)力和變形

通過熱-固耦合的方法，忽略應(yīng)力應(yīng)變對于溫度場的影響，將溫度場結(jié)果作為載荷添加到力學(xué)求解模型中，分析殘余應(yīng)力分布情況。

對T型板添加不同的應(yīng)力場邊界條件：Case1為自由邊界，限制應(yīng)力場分析過程中焊接構(gòu)件剛體位移； Case2邊界條件模擬T型板受兩側(cè)橫向加強(qiáng)件約束；Case3邊界條件模擬T型板焊接過程既受到兩側(cè)橫向加強(qiáng)件的約束又受到相鄰縱骨的約束。其約束邊界條件見圖5。

圖3 第1道焊縫進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)溫度分布

圖4 T形板熔化

圖5 邊界條件設(shè)置

3.2.1 焊接變形

焊接變形不僅會影響正常工藝流程進(jìn)度，還會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力，降低焊接構(gòu)件的精度，引起工件質(zhì)量不穩(wěn)定等不良結(jié)果。

總體變形最大值分別出現(xiàn)在焊縫結(jié)束端、面板邊緣處及面板中心部位， 最大變形值分別為7、3.5、0.4 mm。T型板變形的基本規(guī)律：在焊縫處變形量較小，遠(yuǎn)離焊縫及約束邊界處變形量明顯增加，T型板整體呈現(xiàn)角變形。

3.2.2 焊接殘余應(yīng)力

當(dāng)焊接構(gòu)件冷卻到室溫后，構(gòu)件會產(chǎn)生自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，通常稱該內(nèi)應(yīng)力為焊接殘余應(yīng)力。3種邊界條件下殘余應(yīng)力分布情況見圖6。從圖中可以觀察到，其殘余應(yīng)力主要分布在焊縫及其附近區(qū)域，最大值分別為360、400、370 MPa。

4 極限強(qiáng)度計算

將焊接殘余應(yīng)力及變形作為初始缺陷添加到有限元模型中，見圖7。從圖中得知：

A

點(diǎn)處限制

X

、

Y

、

Z

方向上的位移及

Y

軸方向上的轉(zhuǎn)動

R

；

B

點(diǎn)處限制

Z

方向的位移和

Y

軸方向上的轉(zhuǎn)動，并在

B

點(diǎn)處施加一個沿

Y

軸負(fù)方向5 mm的位移載荷。讀取

A

點(diǎn)處軸向的反作用力，繪制載荷位移曲線圖。

圖6 等效應(yīng)力云圖

圖7 極限強(qiáng)度邊界設(shè)置

4.1 理想狀態(tài)下T型板極限強(qiáng)度

在壓縮開始階段，支座反力和位移呈線性變化，此時T型板結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性形變，隨著載荷的持續(xù)增加，底板邊緣處首先發(fā)生屈曲，但T型結(jié)構(gòu)仍具有一定的承載能力，直到達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。隨著位移載荷的進(jìn)一步施加，底板和T型板處都發(fā)生了較大的變形，結(jié)構(gòu)承載能力發(fā)生明顯的下降。理想狀態(tài)下T型板的總變形見圖8。其極限強(qiáng)度為1 177.3 kN。

4.2 考慮殘余應(yīng)力情況下的極限強(qiáng)度分析

將殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力添加到極限強(qiáng)度計算中。經(jīng)計算，其極限強(qiáng)度分別為1 063.5、1 043.3、1 042.2 kN，相較于理想狀態(tài)下其極限強(qiáng)度分別下降了113.8、134.0、135.1 kN。

圖8 理想狀態(tài)下T型板變形

4.3 考慮變形情況下的極限強(qiáng)度分析

將殘余變形添加到極限強(qiáng)度的計算中。經(jīng)計算，其極限強(qiáng)度分別為1 123.0、1 124.1、1 126.8 kN，相較理想狀態(tài)下其極限強(qiáng)度分別下降了54.3、53.2、50.5 kN。

5 結(jié)論

(1)通過熱固順序耦合的方法分析不同焊接邊界條件下T型板的焊接殘余應(yīng)力及變形情況，為研究初始缺陷情況下T型板的極限強(qiáng)度提供依據(jù)。

(2)通過位移載荷的方式計算不同邊界條件下T型板的極限強(qiáng)度，分別考慮殘余應(yīng)力及殘余變形對T型板的極限強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力對T型板極限強(qiáng)度的影響較焊接變形的影響更大。

(3)在進(jìn)行溫度場分析時，忽略了焊縫填充對于溫度場的影響。沒有設(shè)置焊縫的生死單元，可能會導(dǎo)致計算結(jié)果的不準(zhǔn)確。