平面舱壁周界的焊缝研究

余东方吴剑国朱荣成

（1.浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310032；2.中国船级社 上海规范研究所 上海200135）

平面舱壁周界的焊缝研究

余东方1吴剑国1朱荣成2

（1.浙江工业大学 建筑工程学院 杭州310032；2.中国船级社 上海规范研究所 上海200135）

利用焊缝计算模型法、有限元法对CSR-OT规范中平面舱壁周界焊接系数进行实船验证，以一艘阿芙拉型双壳油船平面舱壁结构为例，在不同工况荷载作用下，计算出平面舱壁对内底板处焊缝的焊缝强度利用因子。两种算法的计算结果表明：规范中此处焊接系数满足强度要求且有安全余量。该研究对进一步理解CSR-OT规范焊接系数规格表具有一定参考价值。

角焊缝；力学模型；焊缝强度

引 言

船体平面舱壁装载后会承受较大侧向荷载，故舱壁周界角焊缝的强度对保证船体安全非常重要。CSR-OT规范中规定了平面舱壁周界焊缝强度并沿用至今，但如何验证实船的安全性，确定安全裕度，以及规范是否有优化空间等问题都有待解答，这也是本文的研究目的。同时，平面舱壁周界焊缝研究可为密性板材周界焊缝研究提供参考。

角焊缝按受力形式可分为承载焊缝、联系焊缝以及双重性焊缝。在国内，王承权等人在文献中指明每类角焊缝的强度条件，对联系角焊缝，提出剪切力学模型，阐述角焊缝剪切强度系数的涵义及其在填角焊缝设计中的应用［1］。吴华峰等人对船底结构的焊缝强度计算提出力学模型，并对CCS规范做了实船验证［2］。国际上，ISSC-296 为了分析角焊缝的强度，采用有限元方法进行大量的角焊缝分析，确定角焊缝的最小尺寸，并建议采用光弹或类似的实验检验数学建模和计算结果的有效性［3］。ISSC-323使用简单的工程设计方法，通过测试验证ABS规范中的角焊缝尺寸，并把它们改成更加实用的形式，较其他规则更便于设计者使用［4］。

本文利用薄板弯曲理论，建立平面舱壁周界角焊缝应力模型。根据角焊缝强度理论，得出焊缝强度利用因子的计算公式。以一艘阿芙拉型双壳油船舱壁结构为例，在不同工况荷载作用下，分别通过焊缝应力模型和有限元方法计算出平面舱壁对内底板处焊缝的应力，验证当前CSR-OT规范中舱壁周界焊缝强度。

1 焊缝强度利用因子

为了验证CSR-OT规范中舱壁结构焊缝的安全性，本文采用有限元方法和焊缝应力模型，计算一艘油船的舱壁焊缝的应力，并与角焊缝比较应力进行比较，获得了CSR油船焊接规格表的焊缝强度利用因子。当焊缝强度利用因子小于1时，焊缝满足强度要求，且利用因子越小，安全余量越大。

焊缝强度利用因子的定义如下：

此处应注意两点：

2 角焊缝强度公式

角焊缝中的应力分布较为复杂（参见图1），强度计算中必须加以简化，并作以下三个假定［5］：

图1 角焊缝的截面应力分析

（1）采用沿45°方向的焊缝截面为计算时的破坏面；

（2）角焊缝的抗拉、抗压和抗剪强度设计值，欧洲设计规范中取相同数值并记作fvw，d；

（3）在通过焊缝形心的拉力、压力和剪力作用下，假定沿焊缝长度lw方向的应力是均匀分布的。

角焊缝强度公式如下［6］：

角焊缝受互相垂直的力Nx和Ny作用见图1（b）。将焊缝应力分解为垂直焊缝长度方向的应力σf和平行于焊缝长度方向的应力τf，故：

将（3）式代入（2）式，焊接强度公式简化如下：

式中：hf为角焊缝的焊角高度；he为角焊缝的焊喉尺寸；σ⊥为垂直于焊缝有效截面的正应力；τ⊥为垂直于焊缝长度方向的剪应力；τ∥为平行于焊缝长度方向的剪应力；fu为相连母材中牌号较小母材的极限拉伸强度；βw为相关因子；γMw为焊缝分项系数（取1.25）；fvw，d为角焊缝强度设计值（对与CCSA配套的焊接材料，fvw，d= 208 N/mm2；对与AH32、AH36配套的焊接材料，fvw，d= 262 N/mm2）。

3 焊缝应力计算方法

舱壁结构主要承受隔舱装载时产生的单面侧向荷载，荷载在舱壁周界产生较大弯矩。此处焊缝的主要作用是传递弯矩给舷侧和底板以及其他构件。

3.1 模型法

油船舱壁为受均布荷重的船体板。由于荷重和结构都对称于板格的支座，因此认为板的四边为刚性固结在刚性支座上［7］。求解薄板的弯曲问题，得到板各边的中点弯矩。焊接边的弯矩由焊缝承担，如舱壁与内底板的焊接处，根据受力平衡可计算出焊缝上的应力大小，如图2中，长边为a、短边为b的四周刚性固结受均布荷载q作用的矩形板的弯矩计算公式如式（5）、式（6）所示。

图2 四周刚性固结板

板短边的中点的弯矩（N·mm/mm）：

板长边的中点的弯矩（N·mm/mm）：

式（5）和式（6）中：k1、k2均由查表所得，它随板的边长比a / b而变化。

平面舱壁板被骨材、主要支撑构件划分成若干矩形板，与周界板相连处的矩形板焊接边的受力情况见图3。焊缝主要传递板边弯矩，传递侧向荷载产生的剪应力很小，可忽略不计。设焊脚尺寸为hf，板厚为t，则选取单位长度板材进行受力分析。

图3 板短边焊缝受力分析

根据受力平衡，求解板短边处焊缝应力σf1：

联立式（7）、式（8）得出：

同理，板长边处焊缝应力：

当a / b相当大时，k1= 0.057 1，k2= 0.083 3。

3.2 有限元法

计算一艘双壳油船的有限元模型，取出所需焊接处立板单元的应力，转换得出焊缝立板应力。平面舱壁与内底板处焊缝以承受拉应力为主，故以立板单元上的正应力代入式（4）转换后作为焊缝立板应力。

4 焊缝强度利用因子实船验证

本文以一艘阿芙拉型双壳油船做验证实例，该船货舱舷侧区域采用CCSA，其余采用 AH32。货舱区域为双舷侧结构，舱壁采用横向平板舱壁与纵向平板舱壁结构。

舱段有限元模型的纵向范围选取货舱区的3个舱，在工况LC1～LC23（各工况分别对应CCS-OT结构强度评估中装载工况）下进行有限元计算，其中LC1～LC19为动载工况，LC20～LC23为静水荷载。取出各个工况下纵横舱壁与内底板焊接处立板单元的侧向荷载、单元正应力。侧向荷载可代入式 （9） 或者式（10）求出的舱壁焊缝的应力，通过式（1）即可求出模型法的焊缝强度利用因子。

实船验证的舱壁部位为横舱壁和纵舱壁两个部位，如图4所示，CSR-OT规范中规定纵向舱壁、横向舱壁连至内底板焊接系数为0.51，计算得到其焊脚尺寸与比较应力见表1［8］。

图4 舱壁位置示意图

表1 参数计算表

各舱壁的焊缝强度利用因子计算结果见表2。

表2 舱壁焊缝强度利用因子MPa

续表2

模型法与有限元法利用因子汇总见图5、图6。

从表2中可知，计算的焊缝强度利用因子均小于1，所以CSR-OT规范中规定舱壁周界焊缝的焊缝强度满足焊缝强度要求。

图5 横舱壁利用因子子

图6 纵舱壁利用因

从图5、图6可见，模型法与有限元法计算出的利用因子波动相似、结果相近，故模型法能帮助理解规范焊缝强度规格表。

5 结 论

对某大型双壳油船平面舱壁周界焊缝的强度利用因子进行统计处理，结果见表3。

表3 舱壁周界焊缝的焊缝强度利用因子的统计结果

表3统计结果显示，舱壁周界处焊缝利用因子最大值为0.69，均值在0.30左右。故CSR-OT规范对于此处焊缝强度的设置是安全的，并有一定的富裕量。

舱壁周界角焊缝要传递侧向荷载产生的正应力，故CSR-OT规范中采用较大的焊缝强度，以保证满足焊缝强度要求。

［1］ 王承权. 船体结构角焊缝的受力分析与剪切强度系数［J］.武汉理工大学学报，1983（2）：35-42.

［2］ 吴华锋，吴剑国，朱荣成. 船底结构的焊接系数研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

［3］ SSC296. Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding［S］. Ship Structure Committee，1980.

［4］ SSC-323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding［S］. Ship Structure Committee，1984.

［5］ 周浩森，王敏.正面角焊缝的静载强度及其计算公式的探讨［J］.焊接学报，1987（3）：141-151.

［6］ Eurocode 3. Design of steel structures［S］. DD ENV 1993-1-1：1992.

［7］ 陈铁云，陈伯真.船舶结构力学［M］.上海：上海交通大学出版社，1991：72-82.

［8］ 中国船级社. 钢质海船入级规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

Weld study of plane bulkhead perimeter

YU Dong-fang1WU Jian-guo1ZHU Rong-cheng2(1. College of Civil Engineering and Architectural, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China; 2. Shanghai Rules & Research Institute, CCS, Shanghai 200135,China)

This paper carries out the full scale verification of weld coeffi cient of plane bulkhead perimeter in CSROT rules by weld calculation model method and fi nite element method. Making an example of the plane bulkhead structure of a double hull oil tanker in AFRAMAX type, it calculates weld strength utilization factor from the plate bulkhead weld to the inner bottom plate weld under the diff erent working condition. The results from the two methods show that the weld coeffi cient in CSR-OT rules can meet the strength requirements with allowance. This research could provide certain references for the further understanding of the weld coeffi cient specifi cation in CSR-OT rules.

fi llet weld; mechanical model; weld strength

TG405

A

1001-9855（2014）05-0056-06

2013-12-09 ；

2014-01-17

余东方（1989-），男，硕士，研究方向：钢结构设计。

吴剑国（1963-），男，博士，教授，研究方向：船舶工程复合材料结构力学、结构优化设计、结构可靠性分析以及钢结构设计。

朱荣成（1981-），男，硕士，工程师，研究方向：船体结构规范。