考虑焊接残余应力的船体板结构屈曲强度.pdf

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1、第46卷第6期船海工程Vo1．46No．62017年12月SHIP＆OCEANENGINEERINGDec．2017DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2017．06．002考虑焊接残余应力的船体板结构屈曲强度刘伯运。周晓松，张岳林。(1．海军工程大学动力工程学院，武汉430033；2．91404部队，河北秦皇岛066001)摘要：传统的船体板结构屈曲计算模型一般为完整板格模型，但在实际中焊接残余应力的影响是不可避免的。针对这一问题，基于有限元热一力顺序耦合方法，计算加筋板在单轴压缩载荷下的屈曲特征值，结果表明纵筋间距越大，焊接残余

2、应力对加筋板稳定性的影响越大；纵筋长细比越大，焊接残余应力对加筋板稳定性的影响越小。与ReckingNo．23模型试验对比，验证了热一力顺序耦合方法的有效性和应用价值。关键词：焊接残余应力；加筋板；屈曲强度；热一力顺序耦合；单轴压缩中图分类号：U661．43文献标志码：A文章编号：1671-7953(2017)06-0006-06船体结构是典型的薄壁结构，其主要由加筋度、材料特性，而且在很大程度上受到焊接残余应板组成，对于此类结构，尤其是在疲劳裂纹萌生之力的影响，因此，在结构的屈曲强度分析中要充分前，其压缩强度往往比拉伸强度更值得关注¨。考虑。本文将探讨

3、利用有限元法模拟焊接残余应随着板壳稳定性理论的逐步完善和有限元数值计力的方法，进而基于热一力顺序耦合，得到含残余算能力的不断提高，完整加筋板结构的屈曲强度应力加筋板屈曲失稳的一般规律。研究Et渐成熟。例如，王伟等利用解析法对加1焊接残余应力的数值模拟筋板稳定性进行了研究，忽略材料非线性的影响，利用理论方法求解了四边简支加筋板的整体屈曲钢材的焊接是一个不均匀加热的过程：焊缝临界应力；张涛等分析了加筋板非线性屈曲与区金属受到电弧加热，迅速升温达到熔化温度，而后屈曲，采用离散加筋板模型，忽略筋截面上的剪离电弧较远的金属温度明显较低，仍然接近室温。切应力，引入板

4、和筋的应力函数，得到了加筋板屈在ABAQUS中，这种焊接过程可以用热应力分析曲的非线性控制方程；曹健_5基于油船结构共同的方法来模拟，模型产生一定的几何变形和残余规范，对屈曲强度进行了直接计算。然而，在建造应力。具体步骤如下。过程中，加筋板结构不可避免的产生几何变形和1)试验模型的焊缝位于船体板、骨材、肋板残余应力，尤其像船舶这类用焊接连接的钢结构，等构件的连接处。材料采用E36钢，其弹性模要完全消除结构的残余应力是不可能的。在焊接量、热膨胀系数、比热容、热传导系数等物理量与钢结构中，在焊缝附近有达到材料屈服极限的残温度的关系见图1【。在初始步，所有焊缝

5、处节余拉伸应力，与之相平衡的在离焊缝较远处有残点的温度等于室温To=20qC。余压缩应力J。文献[6]还指出，在焊接构件中，焊接导致集中的局部热输入，引起不断变化的不均匀温度场，产生塑性变形。冷却以后，在远离焊缝部位产生压应力，而在焊缝处产生拉应力，由焊接引起的残余应力要比型钢中大得多。可见，船体结构的稳定性不仅取决于船体构件的形状、尺收稿日期：2017—03～06修回日期：2017—04～16基金项目：国家自然科学基金(51479205)图1材料属性第一作者：刘伯运(1977一)，男，博士，副教授研究方向：舰艇结构系统安全性2)定义一个加热步。焊缝节点

6、瞬间升高到62017第6期刘们运，等：考虑焊接残余应力的船体板结构厢曲强度船海工程第46卷1500℃，这是船厂常用的焊接温度。调节焊接=1N(OW加热区域的范隔，控制残余应力的大小。焊缝区，l+()+金属受热膨胀，而四周钢板阻止它的膨胀，从而焊2OwO缝区产生压缩廊力。当压缩应力超过材料的屈服⋯，w．)dy强度时，焊缝附近的金属产生压缩性的塑性变形。3)定义一个冷却步。焊缝节点逐渐冷却至室温=20℃，焊缝区金属开始降温收缩。此=[][]{萋OW)时，焊缝的收缩又受到四周钢板的限制，从而焊缝区出现拉应力。整个模型结构是一个内力平衡系统，非焊缝Ⅸ就会产生压应

7、力来平衡焊缝区的拉应力。焊缝降到章温，试验模型就产生了焊接残余应力和相应的初始JL何变形。以含3根纵筋的船体板为例，材料的杨氏模将：一ONll量E=210GPa，泊松比／．t=0．3，线胀系数I．35×’。O，：H代人单元中面力位能xcgxayav⋯。⋯。～⋯⋯10℃～，使用S4R(4节点双曲线缩减积分壳单元)，划分网格2016个，图2。=号HGdH=Hk=ffGHGddy，◆◆G=[OaNOaNv]’图2载荷、边界条件的施加和网格的划分热应力分析结束之后，试验模型的初始变形和沿板长方向的焊接残余应力见图3。船体外板H=]的平均压缩应力为91．57MPa

8、，接近文献[8]给出的结果91MPa，这个数值位于0．150-和0．30"之间，