船舶與海上移動平臺焊接系數安全性驗證研究

吳劍國，沈傳釗，朱榮成，馬 劍

(1. 浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310032；2. 浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3. 中國船級社 上海規范與技術中心，上海 200135)

船舶與海上移動平臺焊接系數安全性驗證研究

吳劍國1,2，沈傳釗3，朱榮成3，馬 劍1

(1. 浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310032；2. 浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3. 中國船級社 上海規范與技術中心，上海 200135)

建立一套驗證船體結構與海上移動平臺規范焊縫安全性的理論方法，提出了船體與海上移動平臺結構焊縫應力計算的3種模型和焊縫應力計算方法，確定了焊縫強度的應力標準。通過5個板條梁和4個短柱的焊縫強度試驗，驗證了焊縫的強度標準、焊縫應力公式的正確性和適用性。進行了11艘船體結構焊縫應力的提取和焊接系數利用因子的計算，獲得了船體結構各類角焊縫利用因子的統計結果，證明現有規范的焊接系數符合GBS的要求。

焊接系數；角焊縫；焊縫強度；結構有限元；焊縫試驗

Abstract: A theory etical method is proposed to verify the safety of fillet weld factors in hull and offshore floating platform rules. Three kinds of models and weld stress calculation methods for weld stress calculation of hull structures are proposed, and the weld strength standard of hull structural fillet welds is determined. To verify the correctness and applicability of weld stress formula and the criterions, the weld strength tests of 5 panels and 4 short columns are carried out. The fillet weld stresses of 11 hull structures are extracted and the utilization factors for weld factor are calculated, and the statistic results of utilization factor of all fillet welds of 13 hull structures are obtained. It is proved that the safety of hull structural fillet weld factors in rules accords with the requirement of GBS.

Keywords: weld factor; fillet weld; weld strength ; structure finite element； weld test

焊縫設計是船體與海上移動平臺結構設計的重要內容。由于船體與海上移動平臺結構焊縫繁多、接頭復雜、承受載荷的多樣性，進行逐條焊縫的強度計算是幾乎不可能完成的任務[1]。為了方便設計者進行焊縫設計，各國船級社經過長時間工程經驗的積累，總結提出了船體與海上移動平臺結構角焊縫設計的簡便方法——焊接系數規格表[2-3]。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[4]。

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。ISSC296[5]對比了美國船級社ABS、其他船級社、美國海軍、美國焊接協會、美國鋼結構關于角焊縫的規范，發現各種規范以不同的形式指定最小尺寸，且規定的焊接系數不盡相同。該報告還應用ADINA(動態增量非線性分析)程序，進行焊接工字梁焊縫的彈塑性分析，并建議采用光彈或類似的實驗檢驗數學建模和計算結果的有效性。ISSC323[6]使用簡單的工程設計方法，通過測試驗證ABS規范的角焊縫尺寸，并把它們改成更加實用的形式。

焊接系數作為規范不可或缺的一部分，同樣需要按照IMO的GBS(goal based standard)要求進行驗證并接受審核[7]。為此，中國船級社上海規范與技術中心聯合浙江工業大學等單位，進行了為時多年的船體與海上移動平臺結構焊接系數的確定方法和設計標準研究，提出了一整套驗證船體與海上移動平臺結構規范焊縫安全性的理論方法，通過11艘實船的計算分析和焊接短柱和鋼梁的試驗[8-10]，驗證了中國船級社CCS規范中的焊接系數取值符合GBS船舶安全性的要求。

1 角焊縫強度計算模型

在鋼結構設計規范[11-12]中，角焊縫的應力計算是基于如下2個假定：

1) 采用沿45°方向的焊縫有效截面為計算時的破壞面，稱為焊喉he，其寬度等于0.7倍焊腳高度hf，如圖1(a)所示；

2) 在通過焊縫形心的橫向力Ny和剪力Nx作用下，如圖1(b)，沿焊縫長度lw方向的應力是均勻分布的。

圖1 角焊縫的截面應力分析Fig. 1 Stress analysis of fillet weld section

將焊縫應力分解為垂直焊縫長度方向的應力σf和平行于焊縫長度方向的應力τf，故：

焊接強度公式為：

式中：fvw,d為角焊縫強度設計值[11]。 對于CCSA配套的焊接材料，fvw,d=208 N/mm2；對于AH32、AH36配套的焊接材料，fvw,d=262 N/mm2。

除去熔透焊，針對船舶與海上移動平臺結構角焊縫的受力特點，將船舶與海上移動平臺結構角焊縫分為3種模型：1) 剪切受力焊縫模型，如扶強材與帶板的焊縫、主要支撐構件與外板的聯系焊縫；2) 橫向受力焊縫模型，如扶強材端部的焊縫、平面板材或平面艙壁周界的端部焊縫；3) 復合受力焊縫模型，同時剪切和橫向受力的焊縫，如主要支撐構件之間的焊縫、支柱端部計算模型。

2 角焊縫應力的計算方法

由于船體與海洋平臺結構復雜，焊縫受力很難通過結構力學等方法確定，因此考慮采用有限元方法計算焊縫應力。然而，由于結構尺寸和焊腳尺寸根本不在一個量級，比如船體結構有限元分析所用板單元的尺寸一般都在800 mm×800 mm 左右，而焊腳高度一般都小于10 mm。因此，不可能在船體結構分析模型中建立焊縫實體，再劃分單元[13]，而需要尋找新方法計算焊縫應力。

2.1 角焊縫剪應力的計算方法

圖2所示扶強材與帶板的聯系角焊縫，取長度為dz的梁段作為隔離體。在彎矩差dM作用下，微段dz的帶板縱向受力之差必須與帶板和腹板間角焊縫有效截面上的縱向水平剪力相平衡，即

由于

代入式(3)，得

式中：S1=Afy1為帶板面積Af對截面中和軸x的面積矩，Ix為整個橫截面對其中和軸的慣性矩，hf為焊腳高度，τf為焊喉平均剪應力，V為橫截面上的剪力。如圖2(b)所示。

圖2 焊縫應力計算模型Fig. 2 Weld stress analysis model

根據材料力學公式，焊縫處腹板的剪應力為

式中：tw為腹板厚度，其余符號同式(5)。

對比式(5)和式(6)，獲得焊縫應力的計算公式如下：

式中：k是考慮有限元模型的影響而引進的修正系數，其他符號同前。針對4個焊接板梁進行了式(5)的焊縫理論計算；式(7)有限元應力換算，如圖3所示；以及梁和焊縫的應力測試，如圖4所示。經過比對，確定修正系數k為1.0～1.1。

圖3 工字梁腹板應力的有限元計算模型Fig. 3 Finite element model of I beam web stress analysis

圖4 焊接工字梁的彎剪試驗照片Fig. 4 Welded I beam bending shear tests

因此，可以采用通常的船體結構艙段或海上移動平臺結構的有限元模型，先對縱骨等梁單元進行腹板板元化，再由腹板板單元(不建焊縫)的剪應力，通過式(7)換算獲得焊縫剪應力。

2.2 橫向受力的焊縫正應力的計算方法

對于橫向受力的焊縫，如圖2(c)所示。立板上的橫向載荷F和彎矩M是通過垂直于焊縫長度方向的應力σf傳遞到邊界上。由力和力矩的平衡，可推導出焊縫橫向應力σf與立板表面垂直于焊縫方向的正應力σ+和σ-以及中面平均正應力σ0的關系如式(8)，同樣，考慮到有限元模型的影響，針對不同的立板形式，采用修正系數k進行修正。

式中：σ+和σ-分別為立板兩個表面焊縫方向的正應力，σ0為立板中面焊縫方向的平均正應力。

3 船體角焊縫的應力標準

通常鋼結構規范中的焊縫強度許用值是根據建筑結構規范確定的，不能直接應用于船體與海上移動平臺結構焊縫的強度評估。這是因為二者存在兩個差別：一是載荷與強度的體系不同；二是計算模型也不同，建筑規范是基于近似的焊縫平均應力公式，船舶與移動平臺規范是基于結構的有限元計算。為確定船體與移動平臺結構角焊縫有限元計算的焊縫強度許用值。將鋼結構中母材設計強度與焊縫設計強度[11-12]的協調關系γ，引入到船舶與海上移動平臺結構中。

通過上式的類比，使得船舶與海上移動平臺結構中焊縫的強度標準隨同構件(母材)的強度標準變化，從而獲得各個構件的焊縫強度設計值;

用此公式可以根據船體結構或海上移動平臺規范的艙段有限元計算的應力標準[2-3]，換算出相應模型構件的焊縫許用剪切應力。表1列出了鋼結構焊縫與母材的許用強度比值。

表1 焊縫與母材應力標準換算系數γTab. 1 Conversion factors for weld and parent metal strength standards γ

表2以CSR-OT為例，列出了其焊縫許用應力，其他規范略。

表2 CSR-OT焊縫許用剪切應力Tab. 2 Allowable shear strengths of CSR -OT fillet weld

4 焊縫模型試驗

為了驗證焊縫強度設計值的安全性，進行了4根受剪短柱的焊縫剪切破壞試驗，以及1根工字型梁在集中載荷作用下的焊縫破壞實驗。試驗現場、焊縫破斷面、載荷與位移的曲線，如圖5和圖6所示。

圖5 受剪短柱的焊縫剪切破壞試驗Fig. 5 Shear failure tests of welding short columns

圖6 集中載荷作用下的工字型梁焊縫破壞試驗Fig. 6 Weld failure test of I beam under concentrated load

表3給出了試驗結果匯總，以及與不同規范的強度標準的比值。可以看出，目前規范的焊縫設計標準，具有2倍左右的安全系數，對于以承受剪應力為主的聯系焊縫，由于剪應力沿焊縫長度是不均勻的，因此，安全余量更大。

表3 試驗結果匯總Tab. 3 Test results summary

5 實船焊接系數利用因子計算

焊接系數利用因子的定義如下：

當焊接系數利用因子小于1時，則焊縫滿足強度要求，且利用因子越小，安全余量越大。

計算過程如下：

1)根據船體與移動平臺結構焊縫的分類，提取結構有限元模型中各部位所需的板單元應力；

2)對于受剪焊縫依據式(7)，對于受拉(壓)的焊縫依據式(8)，對于復合受力的焊縫按式(7)、式(8)，再按式(6)進行合成，將板應力換算為焊縫應力；

3)由式(9)得到焊縫許用應力；

4)由式(11)計算焊接系數利用因子。

本文共計分析統計了11艘CSR-OT和CSR-BC所有工況下的數萬條焊縫應力，對比相應的焊縫許用剪切應力，計算出焊接系數利用因子，并進行了統計分析。圖7為艙段有限元模型；圖8為某艘CSR-BC不同工況下，肋板對內底板的焊接利用因子；表4給出了主要構件的焊接系數利用因子統計結果。

圖7 艙段有限元模型示例Fig. 7 Finite element model of cargo hold of welding factor

圖8 不同工況的焊接利用因子Fig. 8 Utilization coefficients of welding factor under different working conditions

位置CSR-OTCSR-BC均值方差均值方差中桁對內底板0.250.150.390.18中桁對外底板0.230.140.320.17旁桁材對內底板0.420.200.350.21旁桁材對外底板0.350.180.350.21肋板對內底板0.350.210.470.19肋板對外底板0.330.230.400.17縱骨對內底板0.110.060.170.10縱骨對外底板0.110.070.210.14縱骨對頂邊艙——0.190.12縱骨對底邊艙0.060.040.100.07橫梁對甲板0.050.030.070.06縱骨對甲板0.140.100.270.21舷側平臺對舷側內板0.130.10——舷側平臺對舷側外板0.140.11——垂向肋板對舷側內板0.280.22——垂向肋板對舷側外板0.260.200.170.09肋板對縱桁0.200.200.440.15橫艙壁對內底板0.380.19——

結果表明，現行的CSR船舶規范焊接系數均能滿足強度要求。

6 結 語

從理論、試驗、計算三個方面對船體與海上移動平臺規范中焊接系數利用因子進行了研究。所得結論如下：

1) 建立了一套基于有限元模型的焊接系數利用因子計算方法。主要包括：①船體與移動平臺結構焊縫計算模型；②船體與移動平臺結構焊縫應力的有限元計算方法；③船體與移動平臺結構焊縫應力的有限元強度標準。

2) 完成了4個焊接板梁焊縫的應力測試，證明所提應力計算方法的正確性。完成了4個短柱的焊縫剪切和1根工字梁聯系焊縫的破壞實驗，獲得了實際焊縫的極限強度。與規范的理論值相比，表明現行鋼結構規范的理論值較為保守，安全系數在2.0倍以上；梁的聯系焊縫破壞試驗與理論值之比達4.2～5.5，通常角焊縫的強度設計值用于聯系角焊縫的強度設計是足夠安全的。

3) 利用11艘CSR散貨船和油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CSR規范焊接系數的驗證。結果表明，現行船舶規范焊接系數均能滿足強度要求，有些構件的焊接系數利用因子較低，尚有進一步優化的空間。

致謝：最后特別感謝浙江工業大學的吳華鋒、余東方、牛師彬、周攀、梁晨誠，中國船舶與海洋設計研究院吳嘉蒙 、劉寅華為本項目作出的貢獻。

[1] 王承權.船體結構角焊縫的受力分析與剪切強度系數[J]. 武漢水運學院學報, 1983(2):35-42. (WANG Chengquan. Stress analysis and shear strength coefficient of hull structural fillet weld[J]. Journal Wuhan Institute of Water Transportation Engineering, 1983(2):35-42.(in Chinese))

[2] 中國船級社.鋼質海船入級與建造規范[M].北京：人民交通出版社,2014. (China Classiflcation Society. Rules for the classification and building of steel ships[M]. Beijing: People's Traffic Press,2014. (in Chinese))

[3] 中國船級社.海上移動平臺入級規范[M].北京：人民交通出版社,2012. (China Classification Society. Rules for the classification of offshore floating platform[M]. Beijing: People's Traffic Press,2012. (in Chinese))

[4] 王承權，夏炳仁，肖漢云，等. 船體結構填角焊縫的設計規范分析[J]. 船舶工程,2002(2):49-53. (WANG Chengquan, XIA Bingren, XIAO Hanyun, et al. Analysis of design rules of fillet welds of hull structure[J]. Ship Engineering,2002(2):49-53. (in Chinese))

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

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

[7] MSC.287(87)， Adoption of the international goal-based ship construction standards for bulk carriers and oil tankers[S]. 2010.

[8] 吳華鋒, 吳劍國，朱榮成. 船底結構的焊接系數研究[J].船舶，2012(5):43-47. (WU Huafen, WU Jiangou, ZHU Rongchen. Research on welding factor of ship’s bottom structllre[J]. Ship & Boat, 2012(5):43-47. (in Chinese))

[9] 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. (YU Dongfang, WU Jianguo, SHENG Chuanzhao, et al. Weld study of plane bulkhead perimeter [J]. Ship & Boat, 2014(5):56-60. (in Chinese))

[10] 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. (NIU Sibing，WU Jianguo，SHENG Chuanzhao，et al. Analysis and test on stress of fillet weld in hull structure [J]. Marine Technology, 2014(6):46-49. (in Chinese))

[11] GB50017-2003, 鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社, 2002. (GB50017-2003, Steel structure design rules [S]. Beijing: China Planning Press, 2002. (in Chinese))

[12] Eurocode 3.EN 1993-1-1.Design of steel structures.Part1.1:General rules and rules for buildings[S].London: European Committee for Standardization,2004.

[13] 李冬林，王強. 基于有限元的角焊縫建模的探討[J]. 湖北工業大學學報, 2009(2):76-77. (LI Donglin, WANG Qian. Discussion on modeling of filled weld based on FEM [J]. Journal of Hubei University of Technology, 2009(2):76-77. (in Chinese))

On safety verification of fillet weld factors in hull and offshore floating platform rules

WU Jianguo1,2, SHENG Chuanzhao3, ZHU Rongcheng3, MA Jian1

(1. College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032,China；2. Zhejiang Research Laboratory of Btuilding and Civil Engineering Structures & Diseaster Drevention and Mitigation Engineering, Hangzhou 310014, China;3. Shanghai Rules & Technology Center, CCS, Shanghai 200135,China )

1005-9865(2016)04-0093-07

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.013

2015-07-01

吳劍國(1963-)，男，教授，主要從事船舶與海洋工程結構的分析與設計研究。E-mail：wujg63@163.com