艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬

楊文忠

（包頭職業學院，內蒙古包頭014035）

艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬

楊文忠

（包頭職業學院，內蒙古包頭014035）

艦船制造工業中，鋼材焊接要求具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度的數值模擬方法，指導耐腐蝕鋼透射焊接工藝。傳統的耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬方法，采用截面配置透射焊接方法，對焊接開裂點和屈服點等特征點的數值分析不足。提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎，對艦用耐腐蝕鋼柱的相貫節點透射焊接強度進行模擬分布，構建艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結論。采用單元內部生熱率模擬焊接，結合溫度場數值模擬結果，進行焊接應力場數值模擬和構件損傷模型分析，設計23組單道焊模型和6組多道焊模行進行數值模擬，分析耐腐蝕鋼相貫節點構建剛度退化焊接應力結構。仿真實驗結果表明，采用該模型分析艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度結果精確，提高了透射焊接強度。

耐腐蝕鋼；焊接；數值模擬

0 前言

鑒于海水的強腐蝕性，對艦船制造的鋼材焊接具有較高的要求。艦用鋼板需要具有較高的耐腐蝕性，金屬與海水發生電化學反應而損耗和變質，由于焊接點的不均勻性可由金屬本身（如晶界、夾雜等）或金屬表面不同部位上介質的變化（如氧濃差等）而產生腐蝕。碳鋼在海水中的平均腐蝕速度為0.05～0.13mm/y，而點蝕速度可達平均年腐蝕率的10倍。影響鋼在海水中腐蝕速度的主要因素是鋼表面氧的供給速度，此外還有溫度、流速、污損生物、石灰質垢。艦船制造工業中，鋼材焊接需要具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度的數值模擬方法，指導耐腐蝕鋼透射焊接工藝。研究艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構下的焊接結構的損傷程度，并對其定量分析，掌握結構損傷激勵，分析焊接構件剛度退化與焊接應力的損傷模型，在提高焊接節點的耐腐蝕性上有重要意義[1]。

碳鋼是開發海洋資源設施中應用較廣泛的結構材料，也是艦用耐腐蝕鋼的重點選材，鋼結構設計中需要對鋼架結構進行焊接處理。焊接是鋼結構中最重要和最普遍的連接方式[1]，影響鋼結構焊接質量因素較多，表現為焊接殘余應力分析、鋼結構焊接點的延性斷裂機理分析和接節點的高周疲勞性能等，這些因素都是影響焊接鋼結構耐腐蝕性和強度的直接因素。當前對焊接應力損耗模型的研究處于起步階段，多為研究小型構件的焊接數值在結構構件建立的損傷模型中的關系模型[2]。隨著對艦用耐腐蝕鋼剪力、阻尼力以及恢復力等結構力學的深入分析，國內外對艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構構件損傷模型的分析開始向著動力學分析方向展開，文獻[3]研究了以強度、剛度和位移為力學參數的橋墩受力性能，在焊接應力點的開裂點和屈服點等特征點剪力荷載-位移恢復力模型，并進行了艦用耐腐蝕鋼剪力墻的抗腐蝕壓強度分析，得到了往復荷載下的前兩損傷程度評價模型；文獻[4]采用截面配置艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接方法，配置了一種新型的艦用耐腐蝕鋼艦用耐腐蝕鋼骨架有限元模型，分析了其能量耗散原理。但模型試驗沒有針對焊接層的阻尼力和抗拉、抗剪強度進行定量研究。針對上述問題，提出了一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力強度值進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結論[5-10]。采用ANSYS軟件分析焊接結構的損傷云圖，仿真實驗結果表明采用該模型分析結果精確。

1 艦用耐腐蝕鋼相貫節點焊接結構設計

1.1 艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構焊接應力擬合模型

建立艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構的透射焊接強度數值關系模型，需要首先進行艦用耐腐蝕鋼相貫節點焊接鋼結構設計。對接焊縫沿垂直于焊縫方向的縱向殘余應力分布模型表達式為

艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構金屬的延性斷裂機制通常表現為空穴形核、擴張和聚合的演變過程，這一過程中需要通過微觀機制的鋼材斷裂判據分析構件鋼度退化與焊接應力的損傷模型，提高建筑強力鋼度。綜合考慮焊接殘余應力沿垂直于焊縫方向的縱向殘余應力分布模型，進行耐腐蝕鋼相貫節點剛度退化與焊接應力關系分析，得到接焊縫沿垂直于焊縫方向數值模擬函數為

式中x為艦用耐腐蝕鋼相貫節點材料的橫向彈性模量；y為艦用耐腐蝕鋼相貫節點材料的縱向彈性模量。

鋼結構建筑的焊接殘余應力滿足殘余應力的自平衡特征，本研究在特征分解的基礎上，對一些典型的焊接形式進行數值模擬，得到鋼架構的拉應力區應力寬度為

通過上述分析，得到艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構焊接應力擬合模型，在對接焊縫沿垂直于焊縫方向數值模擬函數分析的基礎上，首先給出有限元結構件模型，采用ETABS軟件進行模擬，為下一步進行節點透射焊接強度數值模擬提供有限元模型基礎。

圖1 焊接應力有限元模型

1.2 艦用耐腐蝕鋼的透射焊接強度模量分析

在對鋼結構焊接應力擬合模型的基礎上，設定耐腐蝕鋼相貫節點高度為10.4m，中間層為標準高度，設定為4.2m，總高度14.6m，在進行有限元模型構件中，得到道焊模型取半結構計算式為

式中r1為艦用耐腐蝕鋼相貫節點材料的初始損傷材料自由能退化值；r2為材料總的自由能；c1，c2為常數。

在艦用耐腐蝕鋼相貫節點損傷構件模型的模單元、梁、柱結構中，分析損傷狀態下構件單元體的剛度?？紤]損傷構件剛度退化系數曲線，得到典型框架核心結構下的截面抗彎剛度在墻體中的底部剪力作用分布。海水中金屬的電化學腐蝕是由于金屬表面的電化學不均勻性引起的，給出艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構焊接應力擬合模型，艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構焊接應力擬合模型是以塑性變形以及承載力乘積的焊接鋼結構的造價限制模型的設計為基礎[8]。把恒荷載作為質量點加在梁上，分析得到節點的累積滯回能表示為

綜合考慮最大塑性位移的影響以及累積耗能的作用，得到荷載作用下梁的破壞應力模型為

把艦用耐腐蝕鋼相貫節點的梁翼緣與柱翼緣焊接，梁腹板與柱翼緣上耳板通過高強度摩擦型螺栓連接，試件屈服前采用荷載增量控制，分3級，每級循環1次，得到對建筑中的鋼結構焊接造價控制滯回概率特征，表示為：

2 相貫節點透射焊接強度數值模擬實現

提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力試驗進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，建立多尺度鋼框架非線性有限元模型，采用精細有限元模型建立艦用耐腐蝕鋼相貫節點區域和細部構造，得到艦用耐腐蝕鋼框架尺寸如圖2所示。

圖2 艦用耐腐蝕鋼框架尺寸

結合圖2進行透射焊接，對每個條帶釋放的殘余應變采用單元內部生熱率來模擬焊，得到開裂點和屈服點等特征低昂去能量控制迭代優化方程為

式（9）表示含參數λ的n階混合函數，其中λ為有效熱功率的分布特征，t為焊道的橫截面積間隔樣點。設定鋼管和鋼梁的抗腐蝕強度等級為Q345，結合焊接應力作用進行艦用耐腐蝕鋼剛度退化阻尼系數分組，設計MAXWELL損傷材料自由能退化連接單元，不考慮焊接應力的非線性行為，設定彈塑性損傷本構模型斷裂阻尼比為0.04，抗剛度沖擊加速峰值計算迭代式為

式中θ（K）為構建剛度退化強化模量。

設計兩條能反映艦用耐腐蝕鋼相貫節點構件的損傷程度，采用非線性動力時程分析方法，對焊接殘余應力影響系數進行歸納擬合出，結合我國鋼結構規范也給出了焊接殘余應力的分布數據，采用單元內部生熱率來模擬焊接，結合溫度場數值模擬結果，進行焊接應力場數值模擬和構件損傷模型分析，將損傷參數矢量化，通過設計23組單道焊模型和6組多道焊模行進行數值模擬，分析耐腐蝕鋼相貫節點構建剛度退化焊接應力結構。

3 試驗分析

為了測試模型對艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬的性能，進行試驗分析和驗證。假設鋼結構的結構樓板厚度取100mm，縱筋采用HRB335，地基土承載力特征值fak=180MPa，采用多道焊模型，得到焊接強度等級分為C70、C60、C50和C40四個強度等級。設定模型的坐標系為xOy，其中x軸長50m，y軸長40m，采用有限元分析方法，試驗中鋼筋選材和焊接熱分析采用鋼結構規范（GB50017-2003），試件RI2-460和RI3-460的截面尺寸設計為：翼緣和腹板的板件寬厚分別為10mm和14mm，板件寬厚比和板厚完全相同但焊縫類型不同，得到殘余應力數值隨焊縫類型不同的變化規律。試驗中，焊接電壓U=24 V，電流I=250 A。需要進行鋼結構焊接的截面尺寸設計，如表1所示。

表1 鋼焊接試件尺寸

數值測試中，鋼構梁徑布置50m+80m+50m，取屈服強度335MPa。采用ABAQUS軟件進行有限元建模，考慮翼板與鋼管壁之間焊縫的形狀及尺寸對節點性能的影響?？紤]不同焊接開裂參數、焊道數以及板件熱流分配系數的影響，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力試驗進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，在一定焊接成本下，鋼結構的斷裂預測云圖分析結果如圖3所示。

為了對比方法的性能，采用本研究模型和傳統模型，以焊接強度為測試指標，得到不同相貫節點的透射焊接強度對比結果如圖4所示。

由圖4可知，采用本研究方法對焊接強度進行數值模擬，分析不同焊接節點的焊接質量，實現對焊接強度的數值模擬，以最小的造價成本達到最優的焊接質量，提高了透射焊接強度。

4 結論

由于海水的強腐蝕性，對艦船制造的鋼材焊接具有較高的要求。在艦船制造工業中，鋼材焊接需要具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度的數值模擬方法，指導耐腐蝕鋼透射焊接工藝。研究艦用耐腐蝕鋼相貫節點結構下的焊接結構的損傷程度，并對其定量分析，掌握結構損傷激勵，分析焊接構件剛度退化與焊接應力的損傷模型，在提高焊接節點的耐腐蝕性上有重要意義。提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節點透射焊接強度數值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎，對艦用耐腐蝕鋼柱的相貫節點透射焊接強度進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結論。采用本研究方法對焊接強度進行數值模擬，分析不同焊接節點的焊接質量，實現對焊接強度的數值模擬，以最小的造價成本達到最優的焊接質量，提高了透射焊接強度，可指導焊接工藝改進。

圖3 鋼結構斷裂預測

圖4 不同相貫節點的透射焊接強度對比結果

[1]寇佳亮，梁興文，鄧明科.纖維增強混凝土剪力墻恢復力模型試驗與理論研究[J].土木工程學報，2013，46（10）：58-70.

[2]劉本學，郝飛，張志峰，等.高速液壓夯實機動力學模型試驗[J].長安大學學報（自然科學版），2009，29（1）：95-98.

[3]王偉，廖芳芳，陳以一.基于微觀機制的鋼結構節點延性斷裂預測與裂后路徑分析[J].工程力學，2014，31（3）：101-108.

[4]韓淼,李守靜,劉健兵.設防水準對典型框架結構土建工程造價的影響[J].工程力學，2010，27（sup.1）：99-107.

[5]李敏，李宏男.建筑鋼筋動態試驗及本構模型[J].土木工程學報，2010，43（4）：70-75.

[6]張煥新，方建勤，黃水泉.液壓夯實技術補強高速公路臺背路基施工工藝試驗研究[J].公路，2010，1（6）：140-143.

[7]王偉，廖芳芳，陳以一.基于微觀機制的鋼結構節點延性斷裂預測與裂后路徑分析[J].工程力學，2014，31（3）：101-108.

[8]李忠獻，路建輝，師燕超，等.不確定爆炸荷載作用下鋼梁的可靠度分析[J].工程力學，2014，31（4）：112-118.

[9]張濤.軌道交通對我國城市群發展的導向作用研究[J].科技通報，2013，29（7）：214-217.

[10]王旭.東南沿海地區臺風特性及低矮建筑屋蓋風壓實測研究[D].上海：同濟大學，2013.

Numericalsimulation ofmarine corrosion resistant steelnozzle-vessel junction node transm ission welding strength

YANGWenzhong
（Baotou Vocational&TechnicalCollege，Baotou 014035，China）

The ship manufacturing industry,steel welding need to have strong corrosion resistance，the method of numerical simulation analysis of ship corrosion resistant steel tubular joint transmission welding strength，corrosion resistant steel transmission welding process guidance.The traditional corrosion used steel tubular joint transmission simulation method numerical strength welding，using the section configuration transmission welding method，numerical analysis of welding crack insufficient point and the yield point.This paper proposes an improved marine corrosion resistant steel tubular joint transmission simulation method numerical strength welding，to ship damage model of steel corrosion resistantmaterials for the foundation，with the transmission of tubular joint corrosion of steel columns to simulate the distribution of welding strength of ship，ship corrosion resistant steel stiffness degradation welding stress damage model of force the damage of motion analysis，draw the conclusion of quantitative analysis.Using the unit internal heat generation rate to simulate the welding temperature field，the numerical simulation results are combined，the welding stress field numerical simulation and component damagemodel，design 23 groups of single pass weldingmodel and 6 groups ofmulti pass weldingmould for numerical simulation，analysis of corrosion resistant steel tubular joint construction of stiffness degradation of welding stress structure.Simulation and experimental results show that using thismodel to analyze themarine corrosion resistant steel tubular joint transmission welding strength results accurately，improve the transmission welding strength.

corrosion resistant steel；welding；numerical simulation

TG405

A

1001-2303（2015）07-0117-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.25

2015-04-12

楊文忠（1970—），男，內蒙古呼和浩特人，副教授，碩士，主要從事焊接技術及自動化、焊接工藝及設備等方面的教研工作。