基于FEA的某型船设备基座焊接强度分析及方案优化

吴文豪，陈国兵，李 军，李昆锋

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

1 引言

焊接是造船、修船过程中的基本手段，是船舶工业中最重要的加工工艺之一。焊接质量直接影响着设备结构强度、可靠性、寿命。焊接结构所出现的各种事故中，大都是由焊接强度不足而引起的脆性破坏。焊接强度受焊接材料、焊接方法、热处理要求、接头杂质含量、焊接应力等影响，国内外学者针对不同对象开展了大量研究，如针对环焊缝裂纹[1]、焊接工艺[2-3]、焊接后热处理[4]等。

有限元方法是一种发展迅速的现代计算方法，是研究结构静、动态分析的一种极为有效的工具。将有限元分析技术与焊接技术结合可高效解决焊接工艺过程中的许多实际问题，有效改善焊接施工质量。有不少学者在此方面开展了广泛的研究。张晓亮等[5]采用有限元法对金刚石复合片钻头焊接强度进行分析，并用试验结果进行了验证。黄如旭等[6]则针对复杂焊接接头，采用有限元方法分析其疲劳强度，以对其提出的等效热点应力法进行验证。赵磊等[7]采用有限元法对燃油箱T型焊接结构的强度和疲劳进行计算，并对其寿命进行了预测。江蕾等[8]采用有限元方法模拟涡流激励下焊缝表面裂纹温度分布，并通过实验进行了验证。李功荣等[9]采用热弹塑性有限元法，分析横骨架式船底结构焊接过程，分析得到胎架约束力分布规律。曾祥英等[10]通过热弹塑性有限元分析方法分别对CO2气体保护焊与手工间断焊仿真分析，明确了CO2气体保护焊最佳焊接工艺参数。徐文娟[11]基于有限元分析技术对船舶大型复杂结构的焊接应力和应变进行研究，提高了船舶复杂结构的焊接质量。张庆亚等[12]采用轮廓法与基于并行计算技术的热弹塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程。

除了焊接工艺本身的残余应力因素和冶金因素会导致裂纹产生外，焊接方案的优选也是保证焊接强度的关键。在某型船在建造过程中，由于施工条件限制，部分设备双层基座必须采用分段焊接工艺。为权衡施工成本和基座强度需求，提高施工效率，降低工艺风险，本文中采用有限元分析技术，基于热弹塑性有限元和固有应变理论，针对该型船的工作特点，对设备基座的五种拟定焊接方案进行焊接强度分析，得到焊接方案对焊接强度影响的定量性结果，用于指导焊接施工和方案选取。

2 设备双层基座焊接结构建模及方案

2.1 设备双层基座焊接结构建模

该型船采用双层基座的设备众多，且结构尺寸不一，布置形式，位置各异。综合考虑结构特征和分布，其中以位于船艏，数量最多的某型设备基座为分析对象：

1) 设备参数：质量520 kg，基座为双层结构如图1所示，重心位于基座以上950 mm；

2) 焊接形式：焊缝宽8 mm，如图2所示；

3) 焊接方式：平焊，铁焊条；

4) 工作条件：左右横倾10°，周期3 s。

依据设计所提供的数据，使用Solidworks软件进行参数化3D几何建模，设备双层基座和焊缝模型分别如图1和图2所示。焊缝几何模型为三棱柱，截面为等腰直角三角形，三棱柱的斜边长8 mm。焊接位置为上下基座的结合部。间断焊接方案中，焊缝的布置位置为：中间部位焊缝等距跨上基座肘板，端部焊缝与上基座端面取齐。

将箱体、上基座、下基座在Soilworks环境中进行装配，构成箱体-基座装配体几何模型，如图3(a)。将几何模型导入Workbench环境中，结合有限元分析需求，进一步加工得到其有限元分析模型，如图3(b)所示。

图1 基座几何模型示意图

图2 焊缝参数化3D几何模型示意图

图3 箱体-基座结构装配体及FEA模型示意图

2.2 基座焊接方案

针对该双层基座特点和舱内施工条件限制，对以下5种拟定焊接方案(如表1)分析。

表1 双层基座焊接方案Table 1 Double-layer pedestal welding scheme

焊接方案1、5模型如图4所示。

图4 焊接方案几何模型示意图

3 双层基座焊接强度FEA分析

3.1 FEA分析的基本条件

影响焊接强度的因素主要有以下几类：

1) 尺寸因素：结构形状尺寸、特性尺寸，布置位置等。

2) 材料性能：箱体-基座结构所用材料的物理性能。

3) 环境因素：温度、湿度、振动和冲击等。

4) 其他因素：焊接工艺、残余应力、载荷加载形式等。

上述因素非常复杂，全部考虑进行FEA分析并不现实，且这样实施对本文的研究目标无益处。本文中主要应用FEA技术分析几种拟定焊接方案对焊接强度的影响，故在进行FEA建模时，对上述次要影响因素进行合理简化，包括：忽略温度影响、残余应力、材料塑性行为，并合理规范化焊缝几何形态等；同时，对其中必要因素加以保留：如上下基座间的受力属接触非线性问题，焊缝3D结构形态的完整性等，都直接决定焊缝的受力状态。

全局坐标定义：X向，舰艏艉方向；Y向，舷侧方向；Z向，舰体升沉方向，如图5(a)所示。本文中所提及的加速度向量a=(aX，aY，aZ)T在上述坐标系中定义，aX，aY，aZ分别为a在X、Y、Z方向上的分量。由于实际工作中，船舶受到的海浪载荷是不断变化的，为全面考虑，基于响应面理论中复合中心抽样技术，分别就不同的焊接方案进行系统的抽样FEA分析。a所在向量空间中的每组样本有15个点，包括1个中心点(即设计载荷点)、6个轴线点和8个相限点，其示分布如图5(b)所示。

3.2 FEA分析的具体方法

焊接强度FEA分析主要分为以下几个步骤：

1) 设置载荷和边界条件：底座下端面采用固定约束边界条件；按复合中心抽样策略，在箱体和基座上施加加速度载荷。

图5 FEA分析全局坐标系及抽样模型示意图

2) 初步FEA分析。采用四面体单元进行粗略网格网格划分，焊缝、上基座、箱体采用一体化网格，上下基座间设置摩擦非线性接触，进行FEA预分析。

3) 材料参数设定：视结构材料为线弹性材料，取弹性模量和泊松比分别为E=2.0×105MPa和v=0.3；基座材料密度为7.9×103kg/m3；箱体密度则按几何模型简化时的等效尺寸，求得当量密度为0.54×103kg/m3。

4) 网格划分及优化：以全局坐标系为参照，网格划分方法采用自动结合手动控制单元尺寸方法，应用适应性较好的4节点四面体单元进行划分。在初步分析基础上，确定网格优化方案。在初步分析的应力最大点处，手动在一定范围内细化网格，同时在远端区域粗化网格，过渡区域调整网格质量，以在保证计算精度的前提下，压缩节点数量，保证迭代收敛速度，降低计算量。由以上步骤得到的优化网格模型示例如图6所示。

图6 四周全焊接方案FEA优化后网格图

5) 摩擦条件：为确定上下基座间的非线性接触面的摩擦条件，对比摩擦因数分别为0、0.5、1的FEA结果发现，接触面摩擦因数的大小对焊缝处应力场分布和数值影响不大，故在分析中取金属-金属接触常用摩擦因数0.15。

3.3 复合中心抽样FEA结果及分析

3.3.1四周全部焊接方案分析结果

采用上述FEA分析方案，对15个抽样点进行FEA分析，得到的最大Mises等效应力。综合参考文献[13-15]中关于远洋海域大风浪恶劣海况下，大型船舶平台上负载物加速度向量理论分析，结合设计所提供的该型船典型加速度数据，扣除重力加速度，确定加速度载荷设计点为a=(3.5，5，-7)T，单位为m/s2。最终得到15个样本点的分析结果如表2所示。

表2 四周全焊接方案FEA分析结果Table 2 Results of the FEA analysis of the four-perimeter all-welded solution

3.3.2其他焊接方案分析结果

方案2～方案5的分析结果如表3～表4所示。为表征焊接方案焊缝的承载水平，以方案1为基准定义“承载系数”：相应焊接方案的焊缝最大应力与方案1最大应力的比值。承载系数指示了相应焊接方案焊缝受力水平相对于基准方案的严重程度。

该基座采用的是945号钢，屈服强度为440 MPa，焊条材料与母材相同。由表3～表4可知：只有方案5的抽样分析中，最大Mises等效应力超过母材屈服强度；且承载系数大多高达4～5，最小值也达到2.5～2.6，与前4种方案相比，焊缝承载水平显著提高。

表3 焊接方案FEA分析结果-1Table 3 Results of FEA analysis of welding solutions-1

表4 焊接方案FEA分析结果-2Table 4 Results of FEA analysis of welding solutions-2

3.3.3对焊接方案的进一步分析

1) 通过对5种方案的强度计算，得到5种方案的承载水平排序为：

四周全焊接<四周间断焊接<长边双侧间断焊接<短边双侧间断焊接

表5给出了5种方案焊缝尺寸因素和承载水平的量化数据。其中平均承载系数为复合中心抽样分析结果中承载系数的算术平均值，指示了焊缝相对受力水平。焊接工作系数为：实际焊缝长度/上基座周长，指示了焊接工作量的大小。由表5中数据可知，方案5在近似相同的焊接工作量条件下(甚至高于方案4)，焊缝受力水平显著提高。结合具体的最大应力分析结果，应排除方案5。

表5 5种焊接方案及其承载水平量化数据Table 5 Quantitative comparison of five welding solutions and their load levels

2) 在所有焊接方案中，以上基座肘板下方的局部焊缝受力最为严重，是焊缝的受力得主要贡献区域；这类焊缝中又以底座边线两端的焊缝承载更为突出，图7以方案4为例显示了焊缝中的应力分布。故焊接施工中，焊缝应尽可能布置于上基座肘板下方；并且应特别注意上基座肘板下方焊缝的焊接工艺质量控制。

图7 方案4在某载荷下的Mises等效应力云图Fig.7 Mises equivalent force cloud for scenario 4 under a load

4 结论

1)在船用设备基座这类设备中，焊接方案的设计是影响焊接强度的重要因素。利用有限元技术对焊接强度进行数值模拟能有效降低施工成本、风险，提高施工效率。

2)由于本研究关注于焊接方案焊缝强度的影响，对焊缝进行了由船体浮态变化引起的惯性载荷作用下的接触有限元分析。实际焊缝中可能还存在其他的载荷类型(如冲击、振动、热应力等)以及其他失效模式(如疲劳、腐蚀等)。

3)结果分析表明，采用L型焊接形式，焊接强度不够，裂纹容易产生，实际建造过程中应避免这种焊接形式。