焊接初始缺陷對海洋平臺橫撐極限強度的影響

崔 震，陳 震

（上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240）

0 引 言

當前，船舶與海洋結構物呈現出大型化、復雜化的發展趨勢，對結構的安全性評估提出了更高的要求，其中極限強度評估對確保結構安全具有重要意義[1-6]。船舶與海洋結構物在焊接制造過程中受局部加熱冷卻的不均勻性因素影響，不可避免地會產生殘余應力和變形[7]等初始缺陷，不僅影響產品的外觀和裝配精度，而且可能降低其剛度、強度和穩定性等結構性能，影響其安全性[1]。因此，在合理評估船舶與海洋結構物安全性方面，研究焊接初始缺陷對結構極限強度的影響規律具有重要意義[6,8]。

本文基于熱彈塑性有限元法對半潛式海洋平臺橫撐結構的焊接變形和殘余應力進行數值模擬，分析不同焊接順序下橫撐結構的殘余應力和變形的特點，比較橫撐結構發生局部屈曲時壓縮載荷的大小，并討論焊接初始缺陷對橫撐結構極限強度的影響。

1 研究對象

本文以某半潛式海洋平臺的水平橫撐結構（見圖1）為研究對象，該橫撐位于2個立柱之間，用以連接左右旁通。橫撐的截面呈跑道形狀，外板由上下2塊平板和左右2塊弧型板組成，內部設有21道環向筋和12條縱向加強筋。橫撐外板的厚度為18mm，環向筋的間距為1830mm，腹板的厚度為12mm，面板的尺寸為120mm×12mm，縱向加強筋的型號為L180mm×80mm×12mm。橫撐結構的材料選用E36高強度鋼，以加筋外板為基本加工單元，加工順序為底板、側板、頂板，每塊加筋外板上的加強筋依次對稱焊接，環向筋也以對稱的順序焊接，橫撐結構橫剖面圖見圖2。

圖1 半潛式海洋平臺橫撐結構

圖2 橫撐結構橫剖面圖

2 有限元模型

本文在研究水平橫撐結構的極限強度時不考慮其整體穩定性，為了提高計算效率，計算模型的縱向范圍為中部三段環向筋跨距，長度為 5490mm，2道環向筋的編號分別為T1和T2（見圖3）。

根據橫撐結構尺寸建立三維有限元模型（見圖4），模型網格的大小整體為1/10加強筋間距。為了準確模擬焊接熱輸入情況，在焊縫及其附近區域采用精細網格劃分，網格的大小隨著與焊縫距離的增加而逐漸增大[7,9-12]，焊縫區域最小單元尺寸為3mm×3mm。有限元模型的節點總數為543944個，單元總數為 430564個。由于材料的物理性能隨溫度變化明顯，本文在計算時考慮屈服極限、楊氏模量和熱膨脹系數等材料屬性隨溫度的變化，E36高強度鋼的材料屬性見圖5。

圖4 橫撐結構有限元模型

圖5 E36高強度鋼的材料屬性

3 焊接初始缺陷模擬

3.1 焊接過程數值模擬

本文對橫撐結構分段建造的焊接過程進行數值模擬，未考慮縱橫構件交叉和外板拼接等焊接，共有加強筋與外板間連接的14道焊縫。焊接采用CO2氣體保護焊，工藝參數為：電流270A，電壓29V，焊接速度400mm/min。所有構件在施焊之前均通過定位點焊連成整體，每次焊完并冷卻至室溫之后再進行下一道焊接。

基于熱彈塑性有限元法，采用ABAQUS軟件對2種焊接順序下的橫撐結構的焊接過程進行模擬，順序1（WS1）為先焊縱向加強筋再焊環向筋，順序2（WS2）與之相反。在焊接模擬中，先對焊接溫度場進行數值計算，獲得焊接過程的溫度場，再以熱載荷的形式將其施加到力學模型上，計算得到溫度載荷作用下的結構焊接變形和應力。在焊接過程中，橫撐結構處于無約束狀態，為了避免結構剛體位移，在計算模型中施加了相應的邊界條件（見圖6）。

圖6 焊接模擬邊界條件

3.2 焊接殘余應力與變形

圖7 和圖8分別為橫撐結構在2種焊接順序（WS1和WS2）下的變形云圖。由圖7和圖8可知，2種焊接順序下橫撐結構的焊接變形特征相近，由于焊縫附近出現收縮變形和角變形，導致橫撐結構加強筋間各板格呈現凹陷變形。橫撐結構各方向的最大變形見表1，與WS1相比，WS2下橫撐結構在垂向（z軸方向）的變形基本相同，但縱向收縮（x軸方向）和橫向收縮（y軸方向）小很多，尤以橫向收縮差別更為明顯。

圖7 橫撐結構在WS1下的變形云圖（放大系數為100）

圖8 橫撐結構在WS2下的變形云圖（放大系數為100）

表1 橫撐結構各方向的最大變形 單位：mm

圖9和圖10分別為橫撐結構在2種焊接順序（WS1和WS2）下的縱向殘余應力云圖。由圖9和圖10可知：在焊縫附近很窄的范圍內具有拉應力，最大殘余應力達到材料屈服極限強度，這是焊接高度集中的熱輸入引起材料膨脹，再冷卻后收縮導致的；由于結構整體為自平衡狀態，在遠離焊縫區域的結構內具有壓應力。

圖9 橫撐結構在WS1下的縱向殘余應力云圖（單位：MPa）

圖10 橫撐結構在WS2下的縱向殘余應力云圖（單位：MPa）

4 極限強度計算

4.1 軸向壓縮極限強度

在對焊接過程進行數值模擬的基礎上，采用 Riks法計算橫撐結構的軸向壓縮極限強度。計算考慮 3種工況，其中：工況 1（Case1）不考慮橫撐結構焊接初始缺陷；工況2（Case2）考慮橫撐結構在WS1下的焊接初始缺陷；工況3（Case3）考慮橫撐結構在WS2下的焊接初始缺陷。

在計算橫撐結構軸向壓縮加載時，在兩端截面形心位置處設置參考點A和參考點B，將兩端截面上的節點剛性綁定在各自平面內的參考點上。約束A點的x方向位移、y方向位移、z方向位移和Rx轉角，約束B點的 z方向位移和Rx轉角。在B點沿x方向施加逐漸增加的壓縮位移，同時讀取A點的軸向約束力，形成載荷位移曲線。極限強度計算的邊界條件見圖11。

圖11 極限強度計算的邊界條件

4.2 結果分析

圖12 ～圖14為3種計算工況下的極限強度計算結果。由圖12～圖14可知，3種計算工況下的橫撐結構破壞模式相近，加強筋發生局部屈曲，腹板和翼板分別失穩，附連的外板也出現一個半波形的失穩大變形。

圖15為3種計算工況下的橫撐結構載荷-位移曲線。在壓縮初始階段，載荷隨位移呈線性變化，此時橫撐結構主要發生彈性變形，3種計算工況下的曲線重合；當 3種計算工況下的載荷分別增加至5.253×107N、4.804×107N和4.284×107N時，縱向加強筋發生局部屈曲，結構剛度降低，載荷-位移曲線出現拐點；隨著載荷進一步增加，縱向加強筋屈曲情況加劇，但仍具有繼續承載的能力，直至達到結構極限強度；此后，結構進入后屈曲階段，雖然軸向位移繼續增加，但隨著外板和加強筋的變形急劇增大，承載能力下降，結構出現負剛度。

圖12 Case1屈曲應力云圖（單位：MPa）

圖13 Case2屈曲應力云圖（單位：MPa）

圖14 Case3屈曲應力云圖（單位：MPa）

圖15 3種工況下的載荷-位移曲線

表2為3種計算工況下的橫撐結構載荷-位移曲線特征點數值。由表2可知，受焊接的影響，橫撐結構的線性終點載荷和極限強度均有一定程度的下降。Case2和Case3下的線性終點載荷相對于Case1分別下降8.55%和18.45%，表明含焊接初始缺陷的橫撐結構更易發生屈曲。然而，由于橫撐結構本身剛度較大，焊接殘余應力和變形對橫撐結構最終的極限強度影響較小，均在6×107N左右。

表2 3種計算工況下的橫撐結構載荷-位移曲線特征點數值

5 結 語

本文采用非線性有限元法分析焊接順序對半潛式海洋平臺橫撐結構殘余應力和變形的影響，討論不同焊接初始缺陷下的橫撐結構縱向極限強度，主要得到以下結論：

1) 在軸向載荷作用下，橫撐結構的縱向加強筋首先發生局部屈曲，此后其附連的外板出現一個半波形的失穩大變形。

2) 具有焊接初始缺陷的橫撐結構更易發生加強筋屈曲失穩，2種焊接順序的線性終點載荷分別較無缺陷狀態低8.55%和18.45%。由于橫撐結構本身的剛度較大，有無焊接缺陷對橫撐結構極限強度的影響差別不大，但對于薄板等剛度較小的結構，該結論尚需驗證。

3) 本文提出的方法同樣適用于相近的船舶與海洋結構物極限強度問題研究。由于存在應力松弛，結構內的焊接殘余應力隨時間緩慢變化，該現象對極限強度的影響還需進一步研究。