船體分段鋼結構焊接變形控制方法

朱道峰

(中國船級社 天津分社，天津 300457)

0 引 言

船體分段鋼結構焊接是提高船舶結構的極限強度的關鍵，隨著造船技術的發展，對船體的總體抗拉能力和斷裂破壞響應控制能力提出更高的要求，船體在受到惡劣海洋和風浪環境下會導致斷裂破壞，需要對船體分段鋼結構進行優化的焊接工藝設計，提高船體分段鋼結構的穩定性和可靠性的同時，提高整體強度。本文研究船體分段鋼結構焊接變形控制方法，在提高船體分段鋼結構焊接工藝的同時，提高船體的整體結構強度，相關的焊接變形控制方法研究受到人們的重視[1]。

對船體分段鋼結構焊接變形控制研究中，通過較大循環載荷作用下的累積應力特征分析，結合對累積塑性破壞與疲勞斷裂破壞的交互特點，采用船體結構總體失效作為約束對象，進行變形控制，但當前方法對船體分段鋼結構焊接變形控制中存在極限承載性能控制響應不好以及疲勞裂紋擴展較大等問題[2]。

針對上述問題，本文提出一種新的船體分段鋼結構焊接變形控制方法，并驗證了本文方法的優越性能。

1 船體分段鋼結構強度分析

1.1 船體分段鋼結構加筋板試件的載荷分析

為了實現對船體分段鋼結構焊接變形控制分析，構建船體分段鋼結構船體板和加筋板試件的載荷分析模型，采用船舶中小組立自動化焊接技術，分析累積塑性損傷和疲勞裂紋損傷特性，采用Von Karman提出的矩形板件所能承受的臨界應力分析船體分段鋼結構的屈服像移，用be表示的臨界應力[3]，構建船體分段鋼結構加筋板試件載荷分布的Von Karman方程：

式中：be為船體分段鋼結構的有效板寬，b為實際船體分段鋼結構的板寬，σult為焊接強度與焊后船體水密的最大平均應力（后稱極限強度），σY為材料的屈服強度，β為各種平直、彎曲的構件的柔度系數，β=

通過分析船舶建造過程中根據各部位的不同需求，結合柔度系數分析，將曲柄軸直接連接在直齒輪，進行焊接過程控制，得到弧線焊縫的焊接屈服像移為：

式中：C1和C2分別為弧點附近的應變特性，β為初始撓度的船體板分量，取C1=2，C2=1；載荷都由板的有效板寬部分承擔。

定義船體板中最容易啟裂的位置分量

式中，σe為板邊應力，代入式(2)則裂紋局部應變能密度：

式中：σ為裂紋局部應變能密分布下的平均作用應力，be為到達后屈曲狀態時板有效寬度。

由此建立船體分段鋼結構加筋板試件的載荷分析模型，根據變形參數控制，進行應力特征分析[4]。

1.2 循環載荷下船體板的極限強度解析

采用裂紋尖端應力場分析的方法，進行循環載荷下船體板的極限強度解析，得到裂尖附近的能量狀態分量，采用船體板的平均應力-平均應變曲線進行變形控制特征分析[5]，得到載荷分布關系：

設船體分段鋼結構板件的有效寬度在板件到達崩潰的變形控制方向：

假定板邊的應力-應變關系與材料應力-應變關系相同，分析應力-應變關系與材料應力-應變關系曲線，如圖1所示。

圖1 應力-應變關系與材料應力-應變關系曲線Fig.1 Stress-strain relationship and material stress-strain relationship curve

基于應變能密度的動態分析，得到裂尖區域應變能密度場大小表示為：

由式(6)和式(7)就能得到船體板船體分段鋼結構焊接變形通知在單調壓縮荷載下的無量綱化的平均應變εˉ與無量綱化平均應力σˉ關系的方程式：

根據對船體分段鋼結構焊接變形控制的強度解析結果，進行變形/應變的計算。

2 船體分段鋼結構焊接變形控制優化實現

建立循環載荷幅值響應與裂紋分布的動態分布關系，根據單調載荷下船體板的極限強度的應變特征分析和動態反饋調整，計算得到開裂角θc(也稱擴展角)，橫裂紋的裂紋擴展計算模型為：

式中：εi,max為裂紋尖端附近的材料的屈服應變；εy為船體分段鋼結構焊接的屈服應變；εi為船體分段鋼結構焊接鋼材在第i圈的累積塑性應變；εu取船體分段鋼結構焊接變形的動態應變值；λ=0.008 1；N為循環載荷的循環周數。

根據焊接裂紋的上、下表面發生接觸的動態響應，得的變形退化公式為：

式中：σY,i和σY,i+1分別為第i次和i+1次的船體分段鋼結構焊接變形的屈服強度；Ei和Ei+1分別為第i次和i+1次的彈性模量。

基于循環塑性區的動態響應分析，得到變形控制的動態卡門方程(Karman equation)如下：

在HRR應力-應變場分析基礎上進行屈曲模態分析，根據彈性模量得到輸出的彈性模量分析方法w1=w?w0，應力應變場表示為：

式中：W0和W分別表示偏應力張量和總撓度幅值。

基于屈服面分析的方法，屈服準則用來描述材料的塑性變形，其屈服面方程為：

式中：f為船體分段鋼結構的屈服面的函數，s為船體分段鋼結構偏應力張量，α為背應力張量，σ0為船體分段鋼結構的初始屈服應力，(σ0+R)為屈服面半徑大小，R為非線性各向同性硬化特征，由此得到背應力表征材料的包辛格效應分布：

式中：Q為背應力演化的料參數，b為屈第n+l次循環屈服面的演化變化率，p為等效塑性應變累積值。

綜上分析，根據單調載荷下船體板的極限強度的應變特征分析和動態反饋調整，在累積塑性應變達到材料斷裂應變εf時，通過微小疲勞單元響應控制，實現對船體分段鋼結構焊接變形控制。

3 仿真測試

實驗中給出船體分段鋼結構的承受軸壓時裂紋彈性模量E=2.24×105MPa，壓縮載荷的屈服應力σY=124.6 MPa，泊松比v=0.3，幾何尺寸如表1所示。

表1 船體分段鋼結構的幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of hull segmented steel structures

根據上述參數設定，得到船體分段鋼結構焊接變形von Mises應力云圖如圖2所示。

圖2 船體分段鋼結構焊接變形應力云圖Fig.2 Cloud chart of welding deformation stress of hull segmented steel structure

可知，本文方法能有效實現對船體分段鋼結構焊接變形控制，單邊裂紋控制能力較好，測試不同循環載荷幅值下4種裂紋分布模型板上裂紋長度-循環次數曲線，如圖3所示。分析可知，本文方法對船體分段鋼結構焊接變形控制能力較強，裂紋板極限強度值的誤差很小, 降低變形屈服響應，提高極限承載性能。

圖3 不同循環載荷幅值下4種焊接變形分布模型板上裂紋長度-循環次數曲線Fig.3 Curve of crack length cycle number for four types of welding deformation distribution models under different cyclic load amplitudes on the plate

4 結 語

本文研究了船體分段鋼結構焊接變形控制方法，提高船體分段鋼結構焊接工藝的同時，提高船體的整體結構強度。測試結果表明，本文方法對船體分段鋼結構焊接變形控制能力較強，裂紋板極限強度值的誤差很小, 降低變形屈服響應，提高船舶結構強度。