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1、本文由球球953464687贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。49卷 第4期(总第184期)2008年12月中 国 造 船SHIPBUIIGOFCHILDNNA.Vol49 No.4(SerialNo.184)Dec.2008文章编号:100024882(2008)04200522009FPSO典型焊接接头残余应力释放及其对疲劳强度的影响李良碧, 王自力摘要(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003)为了在估算结构疲劳强度时计及残余应力释放的作用,合理地解释在以往焊接接头疲劳试验中不能解释的试验结果,借助三
2、维弹塑性有限元法,研究了FPSO典型焊接接头在任意变幅循环载荷作用下的残余应力释放规律,建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小之间的计算公式,从而定量地分析了残余应力的释放,提高了疲劳强度估算的准确性和可靠性。关 键 词:船舶、舰船工程;FPSO;焊接接头;残余应力释放;疲劳;有限元法中图分类号:U661.4 文献标识码:A 1. 引 言当焊接结构由外载荷产生的应力和残余应力相叠加时,常常会使应力超过材料的屈服强度,一部分与残余应力相关的弹性应变就转化为塑性变形,因此,残余应力就产生了释放现象,即残余应力在循环载荷的作用下逐渐消失[1～
3、3]。众所周知,船舶等结构在服役期间,由于波浪载荷所产生的应力与初始残余应力叠加,会使结构提前到达材料的屈服应力,在很大程度上降低了结构的疲劳强度。但实际上,船舶服役前,如进行油船试验和压载,船舶焊接结构所承受的静载荷远远大于在服役期间所承受的常规波浪载荷[4],结构中较高的初始残余应力已被释放。浮式生产储油卸油船(FPSO)和海洋平台等承受波浪载荷作用的结构,特别是油船和散货船的腹板框架结构,对残余应力释放特别敏感[5]。尽管国内外众多学者对残余应力的释放进行过一些探讨[1～12],但很少有文献报导从疲劳角度来定量地分析焊接残余应力释放及其对疲劳强度的影响,因此,常有一些焊接结构
4、的疲劳试验结果不能被合理地解释[13,14]。本文借助三维弹塑性有限元法,研究了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放的规律,建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小之间的计算公式,最后分析了残余应力释放对结构疲劳强度的影响,合理地解释了某些疲劳试验的结果。1. 典型焊接接头残余应力释放的有限元分析本文借助较简单的内应变有限元法[15]来模拟焊接残余应力,借助弹塑性有限元法分析残余应力的①将内应变输入模型;②通过应力和应变的自平衡分析得到初始残余应变和应力;释放,分析步骤如下:收稿日期:2007204230;修改稿收稿日期:200820222049卷 第4
5、期(总第184期) 李良碧,等:FPSO典型焊接接头残余应力释放及其对疲劳强度的影响 53③利用弹塑性有限元法,分析在不同的外载荷作用下残余应力的释放。须指出的是,由于纵向残余应力在这些结构形式中与疲劳强度密切相关,所以本文讨论的都为结构的纵向应力。2.1 模型从几何结构和承受载荷形式的角度,作者选出能代表浮式生产储油卸油船典型焊接结构形式的四种焊接接头模型进行研究。模型的几何尺寸和结构形式如图1所示,材料都为船用钢,厚度为10mm。模型1、模型2和模型3材料的屈服强度为315MPa,模型4材料的屈服强度为350MPa。(a)模型1
6、 (b)模型2(c)模型3 (d)模型4图1 模型的几何尺寸有限元模型如图2所示。根据模型的结构特点,模型1,模型2和模型3采用18对称结构和x、、yz轴对称的边界条件;模型4则采用12对称结构和y轴对称边界条件。有限元模型考虑了焊角形状,加密了焊趾周围的网格划分,采用20节点的Solid单元。通过网格划分的灵敏度分析,可得出在焊趾处采用1.6mm×2mm×2.5mm的网格尺寸是合适的和节省计算时间的。54中 国 造 船学术论文(a)模型1 (b)模型2(c)模型3
7、 (d)模型4图2 有限元模型2.2 循环载荷作用下残余应力的释放2.2.1 试验载荷及残余应力的释放为防止对海洋的污染,油船通常采用双层壳结构[4]。满载时,油船结构承受的预载荷达到材料屈服强度的50%到80%。为了研究残余应力释放对结构疲劳强度的影响,韩国现代重工[14]对FPSO典型焊接接头加以不同的静态预载荷(表1)进行残余应力释放的试验研究。试验时的载荷工况为载荷工况1:未加预载荷;载荷工况2:预载荷为0.5Ρy(Ρy为屈服应力)的名义拉伸
