CSR和CSR-H的焊接系數研究

吳劍國 朱榮成 馬 劍

（1.浙江工業大學 建筑工程學院 杭州310032；2.中國船級社 上海規范與技術中心 上海200135）

引 言

焊接系數（Weld Factor）是焊縫剪切強度系數wτ（Fillet Weld Factor On Shear Strength）的簡稱，其定義為角焊縫焊喉厚度與腹板厚度之比。船體結構的復雜性和承受載荷的多樣性，使得船體結構角焊縫的計算極其復雜，而且工作量巨大。為方便設計者進行焊縫設計，國際上各船級社經過長時間工程經驗的積累，總結提出了計算船體結構角焊縫尺寸的簡便方法——焊縫系數法。其中，不僅融合了大量的結構受力分析，而且包含著試驗以及數據統計的經驗，經過多年演變至今，形成現行的焊接系數規格表。然而，由于種種原因，焊接系數規格表系統完整的數據來源已不可循。ISSC-296［1］為分析角焊縫的強度，推薦采用非線性有限元方法進行大量的角焊縫分析，確定焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類似的實驗來驗證數學建模和計算結果的有效性。ISSC-323［2］使用簡單的工程設計方法，通過測試驗證美國船級社（ABS）角焊縫尺寸，并把它們改成更加實用的形式，比其他規則更便于設計者使用。

我國造船業對焊接系數也曾做過一些研究［3-4］。焊縫設計的要求作為規范不可或缺的一部分，同樣需要按照GBS的要求進行驗證并接受審核。為此，中國船級社上海規范研究所聯合浙江工業大學進行了船舶結構焊接系數的方法確定和設計標準的研究，通過實船的計算分析［7-9］，證明目前規范（包括CSR-H）中的焊接系數的取值符合GBS船舶安全性的要求。

1 CSR與CSR-H對比

通過對CSR和CSR-H中的焊接系數的定性分析和計算比較，得出以下結論：

（1）聯系焊縫的焊接系數普遍較小，承載焊縫的焊接系數普遍較大。

（2）一些承擔載荷較小的次要構件，如骨材，其焊接系數水平均較低。船體桁材等主要支撐構件的焊接系數較大，使其能有效地傳遞并承擔載荷。

（3）對于焊接系數的取值還要考慮到其所在的位置，不同位置處由于構件承受橫向載荷的不同，焊接系數也會有所變化。通常側向載荷較大，焊接系數也較大，如貨油艙區域。

（4）非密性的板材與密性板材的焊接系數差別很大，密性板材焊接系數要高于非密性板材。

（5）構件跨度會影響焊接系數的大小。一般說來，構件的跨度越大其焊接系數就越大，反之亦然。在同一跨度中，端部的焊接系數往往會高于跨中。

（6）板材厚度不同，焊接系數的大小也會不同。

定性分析確定焊接系數的影響因素，為焊縫應力分析模型的建立以及焊接利用因子的確定打下了基礎。

對于載重噸為76 000 t的散貨船和115 000 t的雙殼油船，分別應用CSR與CSR-H，計算出各個部位的焊腳尺寸，結果見表1。

表1 CSR與CSR-H對焊腳尺寸的要求

初步分析表明：CSR-H的焊接系數總體上不小于CSR的焊接系數。因此，只要驗證CSR焊接系數的安全性，CSR-H焊接系數即同樣安全。

2 焊接系數利用因子的確定

結構有限元方法可以準確地計算出船體結構的應力分布。那么，如何從實船有限元計算模型中獲得各類構件焊縫處的應力，進行焊接系數規范要求的驗證呢？項目組為此構建了8種焊縫強度計算模型和船體焊縫強度標準，建立一套采用有限元模型的焊接系數利用因子計算方法。重點解決了以下三個關鍵問題：

（1）在有限元模型中提取哪些應力成分。有限元計算可以提供的應力計算結果很多，哪些是能表征焊縫強度的應力分量，這些量又如何與焊縫強度建立聯系，是首先需要解決的問題。針對船體不同部位構件的受力特點，構造出8種焊縫應力計算模型，對于不同的結構和載荷，相應于不同的計算模型，需要提取不同的應力。

（2）有限元的應力結果與焊縫理論公式計算值是否一致。由于實船體量龐大，船體結構有限元分析所用單元的尺度較大，通常板單元都在800 mm×800 mm左右，而焊腳高度一般都在10 mm以下，不可能在實船模型中建立焊縫模型進行單元劃分。因此，如何表征焊縫處的應力、建立焊腳高度與焊縫應力的關系，是本方法第二個要解決的問題。

（3）角焊縫有限元計算的應力標準，即焊縫強度許用值。要獲得焊縫的焊接系數利用因子，就需要確定角焊縫有限元計算的焊縫強度許用值。而通常的焊縫強度許用值是根據建筑鋼結構規范確定的，不能直接應用于船舶結構的有限元計算。兩者存在兩個差別：一是載荷與強度的體系不同；二是計算模型不同，一個是基于近似的焊縫平均應力公式，一個是基于結構的有限元計算。

利用13艘CSR實船的有限元應力計算模型，獲得了各種構件、各個工況的焊縫應力，進行了規范焊接系數的驗證。焊接系數利用因子結果匯總見表2和表3。

焊縫強度利用因子的定義如下：

通過13艘實船的焊接利用因子計算表明：

（1）對CSR-OT：肋板對內外底板、垂向肋板對舷側內外板、橫艙壁對內底板處的焊接系數利用因子雖滿足強度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.3；中桁材和旁桁材對內外底板、肋板對縱桁處的焊接系數利用因子滿足強度要求，最大利用因子分布0.7左右，均值在0.3左右；骨材對甲板、邊艙、底板處的焊接系數的最大利用因子分布0.2左右，均值在0.2左右，強度裕度較大。

（2）對CSR-BC：中桁材、旁桁材對內外底板處的焊接系數利用因子滿足強度要求，最大利用因子分布約0.9，均值約0.35；肋板對內外底板、肋板對縱桁處的焊接系數利用因子雖滿足強度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.45；骨材對甲板、邊艙、底板處的焊接系數的最大利用因子分布約0.5，均值約0.2，強度裕度較大。

表2 CSR-OT焊接系數利用因子

表3 CSR-BC焊接系數利用因子

（3）總體而言，肋板和縱桁處焊接系數利用因子較高，骨材處焊接系數利用因子較低。

（4）現行船舶規范焊接系數均滿足強度要求，有些構件應力利用因子較低，有進一步優化的空間。

3 模型試驗驗證

為進一步研究船體構件間焊縫的受力性能，設計了焊接短柱和鋼梁的焊縫強度試驗。試驗的主要目的是確定焊縫剪切強度和驗證角焊縫剪應力。

為此，項目組完成了4組短柱的焊縫受剪破壞試驗（如圖1所示），4個板條梁的焊縫模型實驗（如圖2所示），測試多種載荷作用下板條梁及焊縫的應力。

圖1 短柱焊縫剪切破壞試驗

圖2 焊接工字梁的彎剪試驗實圖

對比短柱的焊縫受剪和梁的彎剪焊縫應力測試值與焊縫應力的理論計算值表明，焊縫應力的理論計算方法正確，具有較高精度。現行鋼結構規范的安全系數在2.0倍以上，而實驗驗證梁的聯系焊縫破壞試驗與理論值之比達4.22，通常鋼結構角焊縫的強度設計值用于船體梁聯系角焊縫的強度設計偏于保守。

4 結 論

項目組從理論、計算、試驗三個方面對CSR和CSR-H中焊接系數的利用因子進行研究并驗證現行規范，包括CSR-H焊接系數的安全性。建立了一套確定船體結構焊接系數的理論方法，為規范今后的發展——建立基于凈尺寸的焊接系數奠定了堅實的基礎。

［1］ ISSC296.Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 296，1980.

［2］ ISSC323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 323，1984.

［3］ 王承權.船體結構角焊縫的受力分析與剪切強度系數［J］.武漢理工大學學報，1983（2）：35-42.

［4］ 周浩森，王敏.正面角焊縫的靜載強度及其計算公式的探討［J］.焊接學報，1987（3）：141-151.

［5］ 中國船級社.鋼質海船入級規范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［6］ IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers and Double Oil tankers.2014.

［7］ 吳華鋒，吳劍國，朱榮成.船底結構的焊縫強度研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

［8］ 余東方，吳劍國，沈傳釗，等.平面艙壁周界的焊縫研究［J］.船舶，2014（5）：56-60.

［9］ 牛思彬，吳劍國，沈傳釗，等.船體結構角焊縫的應力分析與試驗［J］.造船技術，2014（6）：46-49.