不同约束条件下T型板残余应力及极限强度研究

祁 斌，王庆丰，徐 骁，章 瑶

(江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

船舶及海洋平台的焊接结构件不可避免地会存在焊接残余应力和残余变形等初始缺陷。这些初始缺陷不仅影响船舶装配精度，还会降低船舶刚度、强度和稳定性等，严重影响船舶运行的安全性。

极限强度表征了结构由于刚度和强度的损失而造成的崩溃，是对船舶强度深入评估的补充。冯国庆等利用热弹塑性有限元应力场得到焊接残余应力与变形后进一步分析了焊接初始缺陷对船体梁极限弯矩的影响。鲁鹏等以船用高强度钢EH36厚板焊接作为研究对象，分析了不同约束边界情况下焊接残余应力的分布情况。宋丹等运用Abaqus软件进行焊接顺序耦合的模拟，得到了甲板分段焊接残余应力和变形的分布情况。陈彦廷等对加筋板屈曲强度及极限强度的研究进展进行了综述。上述文献对结构进行了焊接仿真模拟并得到了结构焊接残余应力及变形，但未对结构含初始缺陷情况下轴向受载失稳进行研究。

本文将基于ANSYS Workbench软件通过热弹塑性有限元的分析方法对T型构件的焊接残余应力及变形进行分析研究，讨论焊接初始缺陷对T型结构极限强度的影响。

1 研究对象

内河小型船舶一般使用横骨架式甲板结构，由甲板横梁、甲板纵桁、强横梁等构件组成。本文将以典型的甲板纵桁的焊接作为研究对象，采用EH36船用高强度钢，其纵桁尺寸和焊缝情况见图1。图中：纵桁跨距为600 mm，船体外板厚度为5 mm，T型材腹板高度为150 mm，厚度为8 mm，底板宽度取纵向骨材的间距为300 mm。焊脚的尺寸与焊件的厚度相关，取4 mm。

1、2—分别为第1道焊和第2道焊缝顺序。

2 有限元模型

根据T型板结构尺寸建立有限元分析模型：原点坐标位于面板中心焊接热源起始位置，

X

轴方向为垂直于焊缝方向(向右为正)，

Y

轴方向为热源移动方向(沿第1条热源移动方向为正)，

Z

轴方向为垂直于面板方向(向上为正)。模型见图2。

由于焊缝处单元温度变化梯度较大，对焊缝处网格进行细化处理，网格大小为2 mm×2 mm；远离焊缝区域的部分温度变化梯度较为平缓，过渡区域的网格设置为3 mm×3 mm；远离焊缝区域的网格设置为5 mm×5 mm。

图2 焊接有限元模型网格

本文根据不同厚度的板材二氧化碳气体保护焊的焊接工艺规范制订焊接工艺。主要参数如下：电流230 A，电压21 V，焊接速度8 mm/s。

选用合适的热源不仅可以准确模拟出焊接过程中热量的分布情况，还能在保证计算结果精度的同时减少计算时间。本文将选择平面高斯热源作为焊接热源模型，其表达式为

式中：

q

为热流密度，W/m；

η

为焊接热效率,

η

=0.8；

U

为焊接电压,

U

=21 V；

I

为焊接电流,

I

=230 A；

x

、

y

为焊接起始位置，

x

=0,

y

=0；

v

为焊接速度，

v

=8 mm/s；

t

为焊接时间，

t

=75 s；

R

为热源半径，

R

=5 mm。经计算，

q

=7

.

5e7 W/m。

3 焊接初始缺陷的模拟

3.1 温度场分析

通过ANSYS Workbench软件进行瞬态温度场分析，设置对流换热系数为20 W/(m·K)，忽略热辐射的影响。首先焊接骨材左侧的焊缝，焊后冷却1 000 s，待焊件温度降至室温后再对另一侧焊缝进行焊接。第1道焊缝焊接进入稳定状态时温度分布情况见图3。热源沿焊缝方向移动，热源加载区域内的能量比较集中，温度最高达到了1 500 ℃。从图4可以观察到，焊接热输入已经将T型板的板材融化，焊接熔池形状基本固定不变。

3.2 残余应力和变形

通过热-固耦合的方法，忽略应力应变对于温度场的影响，将温度场结果作为载荷添加到力学求解模型中，分析残余应力分布情况。

对T型板添加不同的应力场边界条件：Case1为自由边界，限制应力场分析过程中焊接构件刚体位移； Case2边界条件模拟T型板受两侧横向加强件约束；Case3边界条件模拟T型板焊接过程既受到两侧横向加强件的约束又受到相邻纵骨的约束。其约束边界条件见图5。

图3 第1道焊缝进入稳定状态温度分布

图4 T形板熔化

图5 边界条件设置

3.2.1 焊接变形

焊接变形不仅会影响正常工艺流程进度，还会严重影响结构的承载能力，降低焊接构件的精度，引起工件质量不稳定等不良结果。

总体变形最大值分别出现在焊缝结束端、面板边缘处及面板中心部位， 最大变形值分别为7、3.5、0.4 mm。T型板变形的基本规律：在焊缝处变形量较小，远离焊缝及约束边界处变形量明显增加，T型板整体呈现角变形。

3.2.2 焊接残余应力

当焊接构件冷却到室温后，构件会产生自身相平衡的内应力，通常称该内应力为焊接残余应力。3种边界条件下残余应力分布情况见图6。从图中可以观察到，其残余应力主要分布在焊缝及其附近区域，最大值分别为360、400、370 MPa。

4 极限强度计算

将焊接残余应力及变形作为初始缺陷添加到有限元模型中，见图7。从图中得知：

A

点处限制

X

、

Y

、

Z

方向上的位移及

Y

轴方向上的转动

R

；

B

点处限制

Z

方向的位移和

Y

轴方向上的转动，并在

B

点处施加一个沿

Y

轴负方向5 mm的位移载荷。读取

A

点处轴向的反作用力，绘制载荷位移曲线图。

图6 等效应力云图

图7 极限强度边界设置

4.1 理想状态下T型板极限强度

在压缩开始阶段，支座反力和位移呈线性变化，此时T型板结构发生弹性形变，随着载荷的持续增加，底板边缘处首先发生屈曲，但T型结构仍具有一定的承载能力，直到达到结构的极限强度。随着位移载荷的进一步施加，底板和T型板处都发生了较大的变形，结构承载能力发生明显的下降。理想状态下T型板的总变形见图8。其极限强度为1 177.3 kN。

4.2 考虑残余应力情况下的极限强度分析

将残余应力作为初始应力添加到极限强度计算中。经计算，其极限强度分别为1 063.5、1 043.3、1 042.2 kN，相较于理想状态下其极限强度分别下降了113.8、134.0、135.1 kN。

图8 理想状态下T型板变形

4.3 考虑变形情况下的极限强度分析

将残余变形添加到极限强度的计算中。经计算，其极限强度分别为1 123.0、1 124.1、1 126.8 kN，相较理想状态下其极限强度分别下降了54.3、53.2、50.5 kN。

5 结论

(1)通过热固顺序耦合的方法分析不同焊接边界条件下T型板的焊接残余应力及变形情况，为研究初始缺陷情况下T型板的极限强度提供依据。

(2)通过位移载荷的方式计算不同边界条件下T型板的极限强度，分别考虑残余应力及残余变形对T型板的极限强度的影响，发现焊接残余应力对T型板极限强度的影响较焊接变形的影响更大。

(3)在进行温度场分析时，忽略了焊缝填充对于温度场的影响。没有设置焊缝的生死单元，可能会导致计算结果的不准确。