船用鋼T型接頭焊趾選擇優化研究

張曉飛

(鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212003)

船用鋼T型接頭焊趾選擇優化研究

張曉飛

(鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212003)

針對船體焊接構件焊趾處應力集中影響船艇結構壽命的問題，利用有限元軟件建立船艇重要區域中內龍骨的有限元模型，在約束和載荷相同的情況下，對比分析不同焊趾形式及尺寸T型接頭的應力分布和疲勞壽命。研究表明，對于陸軍船艇而言，平面形焊趾形式應力集中程度較小，焊后加工方便，適合船艇修理實際要求；焊腳尺寸為4～6 mm的平面形焊趾形式的T型接頭疲勞壽命最大，在船艇T型構件焊接時焊腳尺寸應選用此范圍內。

T型接頭；疲勞壽命；焊趾；有限元分析

疲勞斷裂是焊接結構失效的一種主要形式[1]，對于陸軍船艇而言，由于在焊接接頭處存在應力集中、焊接缺陷和焊接殘余應力等影響，在風、浪、流等循環載荷的作用下焊接接頭處會出現初始裂紋，并且隨著交變載荷的作用逐漸擴展，最終導致船艇重要構件疲勞斷裂，直接影響船艇結構壽命。焊接缺陷和焊接殘余應力對接頭疲勞壽命的不良影響可通過焊接工藝的改進而降低，但應力集中造成的不良影響只能通過焊趾形式的選擇和焊腳尺寸的優化來解決。

1 不同焊趾形式的T型接頭有限元模型

本文研究材料為普通船用鋼，由于船艇機艙區域底部受總縱彎曲影響較大,故選擇某型船艇機艙底部區域中內龍骨的T型接頭開展研究。

本文利用MSC.Patran軟件建立船艇修理過程中常見的4種不同焊趾形式的T型接頭有限元模型，如圖1所示，并參照《鋼質海船入級規范》要求劃分網格。在網格劃分中，采用由四邊形單元拉伸為六面體單元的方法。統籌考慮計算精度和計算效率，在焊縫附近區域網格尺寸為2 mm×2 mm×6 mm，在遠離焊縫區域網格尺寸由2 mm×2 mm×6 mm漸次延伸到2 mm×10 mm×6 mm。

圖1 4種焊趾形式的T型接頭有限元模型

圖1(a)為凸圓形焊縫，為焊接后未經處理保留原始焊趾的凸圓弧；圖1(b)為平面形焊縫，即焊后經打磨處理與面板、腹板均成45°角的平直焊趾；圖1(c)為凹圓形焊縫，即焊接后經過機械加工處理，將原始焊趾打磨后變成凹圓弧形式；圖1(d)為除根形焊縫，節點處原始焊趾被打磨去除干凈，即沒有焊角殘留。

2 不同焊趾形式的T型接頭疲勞壽命

2.1 不同焊趾形式T型接頭的應力分布

分別在4種焊趾形式的T型接頭有限元模型上施加約束、載荷，取值參照船艇實際受力，T型材面板兩端為剛性固定，即位移約束：ux=uy=uz=0，轉角約束：θx=θy=θz=0，腹板端部受拉伸載荷作用，大小為7.5 t，使用MSC.Nastran軟件對T型接頭進行結構應力計算。表1給出的是T型接頭4種焊趾形式在拉伸載荷為7.5 t時焊趾處的應力值。從表1可知，凹圓形焊趾的最大拉應力最小，平面形焊趾的最大拉應力值和凹圓形焊趾差不多，而除根形焊趾的最大拉應力值最大。從應力水平角度來衡量T型焊接接頭的優劣，凹圓形和平面形焊趾的應力水平最低。對承受靜態或準靜態載荷的結構來說，T型接頭在焊接時宜把接頭焊趾打磨成凹圓形或平面形，可以大大降低接頭處的應力集中，有利于提高焊接接頭的承載能力。

表1 不同焊趾形式的T型接頭最大拉應力值 MPa

2.2 不同焊趾形式T型接頭的疲勞壽命計算

基于S-N曲線疲勞分析方法，利用MSC.Fatigue模塊對上述T型焊接接頭有限元模型進行疲勞壽命計算，疲勞載荷形式為折線形，應力比R=0.1。4種焊趾形式在拉伸載荷為7.5 t時的疲勞壽命見表2，在約束方式及加載情況完全相同的情況下，平面形和凹圓形焊趾的T型接頭疲勞壽命最長，達到263 000次；其次是凸圓形，疲勞壽命為193 000次；除根形的壽命最短，只有84 000次。這一結果表明：焊縫的凸出部分或除根部位是應力集中區域，如果焊后不進行機械加工處理，將使焊接接頭的疲勞強度大大降低。凹圓形和平面形疲勞壽命相當，這是因為少量打磨焊趾使其平滑后相當于加大了焊趾的過渡半徑，顯然有利于增加疲勞壽命。一般情況下，平面形焊趾打磨時間小于凹圓形焊趾打磨時間，且施工人員較容易掌控質量，因此，從施工實際考慮，T型接頭應選用平面形焊趾形式。

表2 不同焊趾形式的T型接頭疲勞壽命 次

3 不同焊腳尺寸的平面形T型接頭疲勞壽命

參照《鋼質海船入級規范》角接焊縫設計要求，選取符合規范要求的2 mm、4 mm、5 mm、6 mm、8 mm 5種焊腳尺寸建立相應的平面形T型接頭有限元模型，并在約束和載荷與上述情況相同條件下計算其疲勞壽命，見表3。

表3 不同焊腳尺寸的平面形T型接頭疲勞壽命

在約束方式及加載情況完全相同的情況下，焊腳尺寸為4 mm、5 mm和6 mm的平面形T型接頭疲勞壽命較長，為263 000次；焊腳尺寸為2 mm和焊腳尺寸為8 mm的平面形T型接頭疲勞壽命較短，為126 000次。這一結果表明：對于平面形T型接頭其最佳焊腳尺寸在4～6 mm范圍內。

4 結束語

本文通過對比分析4種不同焊趾形式和5種不同焊腳尺寸的平面形T型接頭疲勞壽命，研究結果如下。

1)因承載時應力分布好、接頭疲勞壽命大及接頭加工勞動強度小等原因，在船艇修理過程中T型構件的焊接應選用平面形焊趾形式。

2)對于陸軍船艇而言，平面形焊趾形式的T型接頭最佳焊腳尺寸為4～6 mm。

[1] 張彥華.焊接結構疲勞分析[M].北京.化學工業出版社，2013.

Finite element model of center keelson in the important area of ship is established with finite element software, aiming at the problem of watercraft structure life ,which is affected by stress concentration in the weld joint. Stress distribution and fatigue life are compared and analyzed to T weld joints with different kinds and sizes.The results show that the line type weld toe is the preferable T weld joint because of the least stress concentration and good processability;the fatigue life of the line type weld toe of T weld joint is the largest in the range of 4 to 6 mm for fillet weld size，which should be chosen as the T type component of ship welding.

T weld joint; fatigue life;weld toe;finite element analysis

張曉飛(1982-)，男，江蘇連云港人，講師，碩士，主要從事船體焊接工藝與結構性能相關教學研究工作。

TG407

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.004

2016-09-12