船用钢T型接头焊趾选择优化研究

张晓飞

(镇江船艇学院，江苏 镇江 212003)

船用钢T型接头焊趾选择优化研究

张晓飞

(镇江船艇学院，江苏 镇江 212003)

针对船体焊接构件焊趾处应力集中影响船艇结构寿命的问题，利用有限元软件建立船艇重要区域中内龙骨的有限元模型，在约束和载荷相同的情况下，对比分析不同焊趾形式及尺寸T型接头的应力分布和疲劳寿命。研究表明，对于陆军船艇而言，平面形焊趾形式应力集中程度较小，焊后加工方便，适合船艇修理实际要求；焊脚尺寸为4～6 mm的平面形焊趾形式的T型接头疲劳寿命最大，在船艇T型构件焊接时焊脚尺寸应选用此范围内。

T型接头；疲劳寿命；焊趾；有限元分析

疲劳断裂是焊接结构失效的一种主要形式[1]，对于陆军船艇而言，由于在焊接接头处存在应力集中、焊接缺陷和焊接残余应力等影响，在风、浪、流等循环载荷的作用下焊接接头处会出现初始裂纹，并且随着交变载荷的作用逐渐扩展，最终导致船艇重要构件疲劳断裂，直接影响船艇结构寿命。焊接缺陷和焊接残余应力对接头疲劳寿命的不良影响可通过焊接工艺的改进而降低，但应力集中造成的不良影响只能通过焊趾形式的选择和焊脚尺寸的优化来解决。

1 不同焊趾形式的T型接头有限元模型

本文研究材料为普通船用钢，由于船艇机舱区域底部受总纵弯曲影响较大,故选择某型船艇机舱底部区域中内龙骨的T型接头开展研究。

本文利用MSC.Patran软件建立船艇修理过程中常见的4种不同焊趾形式的T型接头有限元模型，如图1所示，并参照《钢质海船入级规范》要求划分网格。在网格划分中，采用由四边形单元拉伸为六面体单元的方法。统筹考虑计算精度和计算效率，在焊缝附近区域网格尺寸为2 mm×2 mm×6 mm，在远离焊缝区域网格尺寸由2 mm×2 mm×6 mm渐次延伸到2 mm×10 mm×6 mm。

图1 4种焊趾形式的T型接头有限元模型

图1(a)为凸圆形焊缝，为焊接后未经处理保留原始焊趾的凸圆弧；图1(b)为平面形焊缝，即焊后经打磨处理与面板、腹板均成45°角的平直焊趾；图1(c)为凹圆形焊缝，即焊接后经过机械加工处理，将原始焊趾打磨后变成凹圆弧形式；图1(d)为除根形焊缝，节点处原始焊趾被打磨去除干净，即没有焊角残留。

2 不同焊趾形式的T型接头疲劳寿命

2.1 不同焊趾形式T型接头的应力分布

分别在4种焊趾形式的T型接头有限元模型上施加约束、载荷，取值参照船艇实际受力，T型材面板两端为刚性固定，即位移约束：ux=uy=uz=0，转角约束：θx=θy=θz=0，腹板端部受拉伸载荷作用，大小为7.5 t，使用MSC.Nastran软件对T型接头进行结构应力计算。表1给出的是T型接头4种焊趾形式在拉伸载荷为7.5 t时焊趾处的应力值。从表1可知，凹圆形焊趾的最大拉应力最小，平面形焊趾的最大拉应力值和凹圆形焊趾差不多，而除根形焊趾的最大拉应力值最大。从应力水平角度来衡量T型焊接接头的优劣，凹圆形和平面形焊趾的应力水平最低。对承受静态或准静态载荷的结构来说，T型接头在焊接时宜把接头焊趾打磨成凹圆形或平面形，可以大大降低接头处的应力集中，有利于提高焊接接头的承载能力。

表1 不同焊趾形式的T型接头最大拉应力值 MPa

2.2 不同焊趾形式T型接头的疲劳寿命计算

基于S-N曲线疲劳分析方法，利用MSC.Fatigue模块对上述T型焊接接头有限元模型进行疲劳寿命计算，疲劳载荷形式为折线形，应力比R=0.1。4种焊趾形式在拉伸载荷为7.5 t时的疲劳寿命见表2，在约束方式及加载情况完全相同的情况下，平面形和凹圆形焊趾的T型接头疲劳寿命最长，达到263 000次；其次是凸圆形，疲劳寿命为193 000次；除根形的寿命最短，只有84 000次。这一结果表明：焊缝的凸出部分或除根部位是应力集中区域，如果焊后不进行机械加工处理，将使焊接接头的疲劳强度大大降低。凹圆形和平面形疲劳寿命相当，这是因为少量打磨焊趾使其平滑后相当于加大了焊趾的过渡半径，显然有利于增加疲劳寿命。一般情况下，平面形焊趾打磨时间小于凹圆形焊趾打磨时间，且施工人员较容易掌控质量，因此，从施工实际考虑，T型接头应选用平面形焊趾形式。

表2 不同焊趾形式的T型接头疲劳寿命 次

3 不同焊脚尺寸的平面形T型接头疲劳寿命

参照《钢质海船入级规范》角接焊缝设计要求，选取符合规范要求的2 mm、4 mm、5 mm、6 mm、8 mm 5种焊脚尺寸建立相应的平面形T型接头有限元模型，并在约束和载荷与上述情况相同条件下计算其疲劳寿命，见表3。

表3 不同焊脚尺寸的平面形T型接头疲劳寿命

在约束方式及加载情况完全相同的情况下，焊脚尺寸为4 mm、5 mm和6 mm的平面形T型接头疲劳寿命较长，为263 000次；焊脚尺寸为2 mm和焊脚尺寸为8 mm的平面形T型接头疲劳寿命较短，为126 000次。这一结果表明：对于平面形T型接头其最佳焊脚尺寸在4～6 mm范围内。

4 结束语

本文通过对比分析4种不同焊趾形式和5种不同焊脚尺寸的平面形T型接头疲劳寿命，研究结果如下。

1)因承载时应力分布好、接头疲劳寿命大及接头加工劳动强度小等原因，在船艇修理过程中T型构件的焊接应选用平面形焊趾形式。

2)对于陆军船艇而言，平面形焊趾形式的T型接头最佳焊脚尺寸为4～6 mm。

[1] 张彦华.焊接结构疲劳分析[M].北京.化学工业出版社，2013.

Finite element model of center keelson in the important area of ship is established with finite element software, aiming at the problem of watercraft structure life ,which is affected by stress concentration in the weld joint. Stress distribution and fatigue life are compared and analyzed to T weld joints with different kinds and sizes.The results show that the line type weld toe is the preferable T weld joint because of the least stress concentration and good processability;the fatigue life of the line type weld toe of T weld joint is the largest in the range of 4 to 6 mm for fillet weld size，which should be chosen as the T type component of ship welding.

T weld joint; fatigue life;weld toe;finite element analysis

张晓飞(1982-)，男，江苏连云港人，讲师，硕士，主要从事船体焊接工艺与结构性能相关教学研究工作。

TG407

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.01.004

2016-09-12