某船設(shè)備系固卡板結(jié)構(gòu)及連接焊縫強(qiáng)度直接計(jì)算

武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院 武漢 430063

某船裝載設(shè)備的基座(由工字鋼組成)需要用“卡板”扶強(qiáng)和定位。該卡板腹板為根部開(kāi)口的梯形板，厚20、面板為-20×100，底部用角焊縫(包角焊)與墊板(-10×200×300)連接，墊板由角焊縫連接到甲板上。初步設(shè)計(jì)的卡板尺寸如圖1。

由于船舶的運(yùn)動(dòng)，設(shè)備產(chǎn)生的慣性力傳遞到卡板上。偏于保守的估計(jì)，每塊卡板需要承受水平方向和垂向的力各200 kN。需要驗(yàn)算卡板結(jié)構(gòu)及其連接焊縫在上述載荷作用下的強(qiáng)度[1]。

圖1 “卡板”原設(shè)計(jì)尺

由于卡板的腹板、面板較厚，比較危險(xiǎn)的可能是焊縫的連接強(qiáng)度。

卡板及其連接焊縫都處于三維受力狀態(tài)，本文采用有限元方法對(duì)它們進(jìn)行計(jì)算，兼顧板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和焊縫的連接強(qiáng)度。

計(jì)算所采用的軟件是MSC.Nastran(Version 2001)。

1 有限元模型

1.1 單元和模型

所有的板和連接焊縫都用體(塊)單元模擬。

鑒于卡板腹板與墊板之間，以及墊板與甲板之間的角焊縫焊腳均為10 mm，所以單元的邊長(zhǎng)以10 mm為基準(zhǔn)。模擬板的塊單元盡量接近正方體，但在開(kāi)孔的圓弧處局部加密，在卡板斜邊處有少量楔形單元過(guò)渡。

為了模擬連接焊縫，被連接板之間留有很小的間隙(0.5 mm)，焊縫多為六面體單元，在拐角處有少量楔形單元過(guò)渡。

由于計(jì)算結(jié)果表明原設(shè)計(jì)的卡板不能滿足強(qiáng)度的要求，對(duì)其尺寸及焊縫進(jìn)行修改，以保證板和連接焊縫的強(qiáng)度。梯形卡板尺寸修改為：上底150 mm，下底350 mm，高320 mm，開(kāi)孔90×90；墊板增大為-10×200×400；在卡板與工字鋼腹板之間增加圍焊縫。

計(jì)算中采用了4個(gè)模型，分別針對(duì)不同尺寸和焊縫設(shè)計(jì)的卡板結(jié)構(gòu)及其連接焊縫強(qiáng)度的計(jì)算分析。

1.1.1 模型Ⅰ

原設(shè)計(jì)尺寸，卡板與工字鋼腹板間未有焊縫連接，如圖2；

圖2 原設(shè)計(jì)尺寸的模型Ⅰ

1.1.2 模型Ⅱ

原設(shè)計(jì)尺寸，卡板與工字鋼腹板間用圍焊縫連接；

1.1.3 模型Ⅲ

卡板尺寸修改后，卡板與工字鋼腹板間圍焊縫的焊腳為10 mm；

1.1.4 模型Ⅳ

卡板尺寸修改后，卡板與工字鋼腹板間圍焊縫的焊腳改為16 mm，如圖3；

圖3 修改尺寸的模型Ⅱ

1.2 材料參數(shù)

鋼板和焊縫的材料參數(shù)都取：

楊氏模量E=2.1×105MPa；

Poisson比ν=0.3。

1.3 載荷

使得各連接焊縫受拉、受剪的力為最不利的載荷，即水平力沿+x方向、垂向力沿+z方向(坐標(biāo)系參見(jiàn)各模型圖)，水平力和垂向力(各200 kN)分?jǐn)偟娇ò逅矫姘宓乃泄?jié)點(diǎn)上。

1.4 邊界條件

甲板結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)，與卡板墊板相連的甲板變形可以忽略，于是所有模型中底部角焊縫與甲板相連的節(jié)點(diǎn)剛性固定，即Tx=Ty=Tz=0。

基座工字鋼腹板很強(qiáng)，當(dāng)卡板受力時(shí)腹板不變形，所以在模型I中，考慮卡板腹板及上面板與工字鋼腹板接觸(但沒(méi)有焊縫)，只約束Tx=0。而在模型II～I(xiàn) V中，卡板腹板和上面板與工字鋼腹板用角焊縫連接，這些焊縫與工字鋼腹板相連的所有節(jié)點(diǎn)剛性固定，即Tx=Ty=Tz=0。

模型中所加的載荷及邊界條件參見(jiàn)圖2、3。

1.5 許用應(yīng)力

由于計(jì)算模型中網(wǎng)格劃分得足夠細(xì)密(邊長(zhǎng)與板厚相當(dāng))，計(jì)算結(jié)果足以反映應(yīng)力集中等不利因素的影響，所以板材本身的安全系數(shù)可以適當(dāng)減小。取板結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為215 MPa[2](為Q235的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。

對(duì)于焊縫，原則上焊縫的強(qiáng)度不低于母材，但是考慮到施焊中可能存在的各種缺陷，參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，取連接焊縫的許用應(yīng)力為160 MPa(為E43型焊條角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)。

2 計(jì)算結(jié)果和分析

圖4給出了卡板及焊縫原設(shè)計(jì)(模型Ⅰ)的相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果云圖；

圖4 模型Ⅰ、板結(jié)構(gòu)單元形心的von Mises應(yīng)力(MPa)

圖5和圖6分別給出了修改卡板尺寸并增加卡板與工字鋼腹板間的圍焊縫(模型Ⅳ)的相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果云圖。

圖5 模型Ⅳ、板結(jié)構(gòu)單元形心的von Mises應(yīng)力(MPa)

圖6 模型Ⅳ、焊縫單元形心的Von Mises應(yīng)力

在相同的載荷作用下，四個(gè)模型計(jì)算得到的最大變形、卡板結(jié)構(gòu)及其連接焊縫中的最大相當(dāng)應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 最大變形、最大相當(dāng)(Von Mises)應(yīng)力結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)以上直接計(jì)算可以得到如下結(jié)論。

1) 原設(shè)計(jì)的卡板尺寸偏小，不足以承受水平及垂向各200 kN的載荷。

2) 為了保證在200 kN載荷作用下卡板及其連接焊縫的強(qiáng)度，需要加大卡板的尺寸，并用包圍角焊縫將卡板與基座的腹板牢固地連接起來(lái)，該側(cè)面焊縫的焊腳應(yīng)該為16 mm。

3) 由于側(cè)面焊縫在內(nèi)拐角的地方應(yīng)力較大(參見(jiàn)圖6)，施焊時(shí)這兩個(gè)位置的焊縫一定要連續(xù)。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017-2003)[S]. 北京：中國(guó)建工出版社，2003.