舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟

杨文忠

（包头职业学院，内蒙古包头014035）

舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟

杨文忠

（包头职业学院，内蒙古包头014035）

舰船制造工业中，钢材焊接要求具有较强的耐腐蚀性，分析舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度的数值模拟方法，指导耐腐蚀钢透射焊接工艺。传统的耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟方法，采用截面配置透射焊接方法，对焊接开裂点和屈服点等特征点的数值分析不足。提出一种改进的舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟方法，以舰用耐腐蚀钢材料损伤模型为基础，对舰用耐腐蚀钢柱的相贯节点透射焊接强度进行模拟分布，构建舰用耐腐蚀钢刚度退化焊接应力作用下的损伤模型，进行损伤运动分析，得出定量分析结论。采用单元内部生热率模拟焊接，结合温度场数值模拟结果，进行焊接应力场数值模拟和构件损伤模型分析，设计23组单道焊模型和6组多道焊模行进行数值模拟，分析耐腐蚀钢相贯节点构建刚度退化焊接应力结构。仿真实验结果表明，采用该模型分析舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度结果精确，提高了透射焊接强度。

耐腐蚀钢；焊接；数值模拟

0 前言

鉴于海水的强腐蚀性，对舰船制造的钢材焊接具有较高的要求。舰用钢板需要具有较高的耐腐蚀性，金属与海水发生电化学反应而损耗和变质，由于焊接点的不均匀性可由金属本身（如晶界、夹杂等）或金属表面不同部位上介质的变化（如氧浓差等）而产生腐蚀。碳钢在海水中的平均腐蚀速度为0.05～0.13mm/y，而点蚀速度可达平均年腐蚀率的10倍。影响钢在海水中腐蚀速度的主要因素是钢表面氧的供给速度，此外还有温度、流速、污损生物、石灰质垢。舰船制造工业中，钢材焊接需要具有较强的耐腐蚀性，分析舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度的数值模拟方法，指导耐腐蚀钢透射焊接工艺。研究舰用耐腐蚀钢相贯节点结构下的焊接结构的损伤程度，并对其定量分析，掌握结构损伤激励，分析焊接构件刚度退化与焊接应力的损伤模型，在提高焊接节点的耐腐蚀性上有重要意义[1]。

碳钢是开发海洋资源设施中应用较广泛的结构材料，也是舰用耐腐蚀钢的重点选材，钢结构设计中需要对钢架结构进行焊接处理。焊接是钢结构中最重要和最普遍的连接方式[1]，影响钢结构焊接质量因素较多，表现为焊接残余应力分析、钢结构焊接点的延性断裂机理分析和接节点的高周疲劳性能等，这些因素都是影响焊接钢结构耐腐蚀性和强度的直接因素。当前对焊接应力损耗模型的研究处于起步阶段，多为研究小型构件的焊接数值在结构构件建立的损伤模型中的关系模型[2]。随着对舰用耐腐蚀钢剪力、阻尼力以及恢复力等结构力学的深入分析，国内外对舰用耐腐蚀钢相贯节点结构构件损伤模型的分析开始向着动力学分析方向展开，文献[3]研究了以强度、刚度和位移为力学参数的桥墩受力性能，在焊接应力点的开裂点和屈服点等特征点剪力荷载-位移恢复力模型，并进行了舰用耐腐蚀钢剪力墙的抗腐蚀压强度分析，得到了往复荷载下的前两损伤程度评价模型；文献[4]采用截面配置舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接方法，配置了一种新型的舰用耐腐蚀钢舰用耐腐蚀钢骨架有限元模型，分析了其能量耗散原理。但模型试验没有针对焊接层的阻尼力和抗拉、抗剪强度进行定量研究。针对上述问题，提出了一种改进的舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟方法，以舰用耐腐蚀钢材料损伤模型为基础，对舰用耐腐蚀钢柱的拟静力强度值进行模拟分布，得到舰用耐腐蚀钢刚度退化焊接应力作用下的损伤模型，进行损伤运动分析，得出定量分析结论[5-10]。采用ANSYS软件分析焊接结构的损伤云图，仿真实验结果表明采用该模型分析结果精确。

1 舰用耐腐蚀钢相贯节点焊接结构设计

1.1 舰用耐腐蚀钢相贯节点结构焊接应力拟合模型

建立舰用耐腐蚀钢相贯节点结构的透射焊接强度数值关系模型，需要首先进行舰用耐腐蚀钢相贯节点焊接钢结构设计。对接焊缝沿垂直于焊缝方向的纵向残余应力分布模型表达式为

舰用耐腐蚀钢相贯节点结构金属的延性断裂机制通常表现为空穴形核、扩张和聚合的演变过程，这一过程中需要通过微观机制的钢材断裂判据分析构件钢度退化与焊接应力的损伤模型，提高建筑强力钢度。综合考虑焊接残余应力沿垂直于焊缝方向的纵向残余应力分布模型，进行耐腐蚀钢相贯节点刚度退化与焊接应力关系分析，得到接焊缝沿垂直于焊缝方向数值模拟函数为

式中x为舰用耐腐蚀钢相贯节点材料的横向弹性模量；y为舰用耐腐蚀钢相贯节点材料的纵向弹性模量。

钢结构建筑的焊接残余应力满足残余应力的自平衡特征，本研究在特征分解的基础上，对一些典型的焊接形式进行数值模拟，得到钢架构的拉应力区应力宽度为

通过上述分析，得到舰用耐腐蚀钢相贯节点结构焊接应力拟合模型，在对接焊缝沿垂直于焊缝方向数值模拟函数分析的基础上，首先给出有限元结构件模型，采用ETABS软件进行模拟，为下一步进行节点透射焊接强度数值模拟提供有限元模型基础。

图1 焊接应力有限元模型

1.2 舰用耐腐蚀钢的透射焊接强度模量分析

在对钢结构焊接应力拟合模型的基础上，设定耐腐蚀钢相贯节点高度为10.4m，中间层为标准高度，设定为4.2m，总高度14.6m，在进行有限元模型构件中，得到道焊模型取半结构计算式为

式中r1为舰用耐腐蚀钢相贯节点材料的初始损伤材料自由能退化值；r2为材料总的自由能；c1，c2为常数。

在舰用耐腐蚀钢相贯节点损伤构件模型的模单元、梁、柱结构中，分析损伤状态下构件单元体的刚度。考虑损伤构件刚度退化系数曲线，得到典型框架核心结构下的截面抗弯刚度在墙体中的底部剪力作用分布。海水中金属的电化学腐蚀是由于金属表面的电化学不均匀性引起的，给出舰用耐腐蚀钢相贯节点结构焊接应力拟合模型，舰用耐腐蚀钢相贯节点结构焊接应力拟合模型是以塑性变形以及承载力乘积的焊接钢结构的造价限制模型的设计为基础[8]。把恒荷载作为质量点加在梁上，分析得到节点的累积滞回能表示为

综合考虑最大塑性位移的影响以及累积耗能的作用，得到荷载作用下梁的破坏应力模型为

把舰用耐腐蚀钢相贯节点的梁翼缘与柱翼缘焊接，梁腹板与柱翼缘上耳板通过高强度摩擦型螺栓连接，试件屈服前采用荷载增量控制，分3级，每级循环1次，得到对建筑中的钢结构焊接造价控制滞回概率特征，表示为：

2 相贯节点透射焊接强度数值模拟实现

提出一种改进的舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟方法，以舰用耐腐蚀钢材料损伤模型为基础，对舰用耐腐蚀钢柱的拟静力试验进行模拟分布，得到舰用耐腐蚀钢刚度退化焊接应力作用下的损伤模型，进行损伤运动分析，建立多尺度钢框架非线性有限元模型，采用精细有限元模型建立舰用耐腐蚀钢相贯节点区域和细部构造，得到舰用耐腐蚀钢框架尺寸如图2所示。

图2 舰用耐腐蚀钢框架尺寸

结合图2进行透射焊接，对每个条带释放的残余应变采用单元内部生热率来模拟焊，得到开裂点和屈服点等特征低昂去能量控制迭代优化方程为

式（9）表示含参数λ的n阶混合函数，其中λ为有效热功率的分布特征，t为焊道的横截面积间隔样点。设定钢管和钢梁的抗腐蚀强度等级为Q345，结合焊接应力作用进行舰用耐腐蚀钢刚度退化阻尼系数分组，设计MAXWELL损伤材料自由能退化连接单元，不考虑焊接应力的非线性行为，设定弹塑性损伤本构模型断裂阻尼比为0.04，抗刚度冲击加速峰值计算迭代式为

式中θ（K）为构建刚度退化强化模量。

设计两条能反映舰用耐腐蚀钢相贯节点构件的损伤程度，采用非线性动力时程分析方法，对焊接残余应力影响系数进行归纳拟合出，结合我国钢结构规范也给出了焊接残余应力的分布数据，采用单元内部生热率来模拟焊接，结合温度场数值模拟结果，进行焊接应力场数值模拟和构件损伤模型分析，将损伤参数矢量化，通过设计23组单道焊模型和6组多道焊模行进行数值模拟，分析耐腐蚀钢相贯节点构建刚度退化焊接应力结构。

3 试验分析

为了测试模型对舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟的性能，进行试验分析和验证。假设钢结构的结构楼板厚度取100mm，纵筋采用HRB335，地基土承载力特征值fak=180MPa，采用多道焊模型，得到焊接强度等级分为C70、C60、C50和C40四个强度等级。设定模型的坐标系为xOy，其中x轴长50m，y轴长40m，采用有限元分析方法，试验中钢筋选材和焊接热分析采用钢结构规范（GB50017-2003），试件RI2-460和RI3-460的截面尺寸设计为：翼缘和腹板的板件宽厚分别为10mm和14mm，板件宽厚比和板厚完全相同但焊缝类型不同，得到残余应力数值随焊缝类型不同的变化规律。试验中，焊接电压U=24 V，电流I=250 A。需要进行钢结构焊接的截面尺寸设计，如表1所示。

表1 钢焊接试件尺寸

数值测试中，钢构梁径布置50m+80m+50m，取屈服强度335MPa。采用ABAQUS软件进行有限元建模，考虑翼板与钢管壁之间焊缝的形状及尺寸对节点性能的影响。考虑不同焊接开裂参数、焊道数以及板件热流分配系数的影响，对舰用耐腐蚀钢柱的拟静力试验进行模拟分布，得到舰用耐腐蚀钢刚度退化焊接应力作用下的损伤模型，进行损伤运动分析，在一定焊接成本下，钢结构的断裂预测云图分析结果如图3所示。

为了对比方法的性能，采用本研究模型和传统模型，以焊接强度为测试指标，得到不同相贯节点的透射焊接强度对比结果如图4所示。

由图4可知，采用本研究方法对焊接强度进行数值模拟，分析不同焊接节点的焊接质量，实现对焊接强度的数值模拟，以最小的造价成本达到最优的焊接质量，提高了透射焊接强度。

4 结论

由于海水的强腐蚀性，对舰船制造的钢材焊接具有较高的要求。在舰船制造工业中，钢材焊接需要具有较强的耐腐蚀性，分析舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度的数值模拟方法，指导耐腐蚀钢透射焊接工艺。研究舰用耐腐蚀钢相贯节点结构下的焊接结构的损伤程度，并对其定量分析，掌握结构损伤激励，分析焊接构件刚度退化与焊接应力的损伤模型，在提高焊接节点的耐腐蚀性上有重要意义。提出一种改进的舰用耐腐蚀钢相贯节点透射焊接强度数值模拟方法，以舰用耐腐蚀钢材料损伤模型为基础，对舰用耐腐蚀钢柱的相贯节点透射焊接强度进行模拟分布，得到舰用耐腐蚀钢刚度退化焊接应力作用下的损伤模型，进行损伤运动分析，得出定量分析结论。采用本研究方法对焊接强度进行数值模拟，分析不同焊接节点的焊接质量，实现对焊接强度的数值模拟，以最小的造价成本达到最优的焊接质量，提高了透射焊接强度，可指导焊接工艺改进。

图3 钢结构断裂预测

图4 不同相贯节点的透射焊接强度对比结果

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Numericalsimulation ofmarine corrosion resistant steelnozzle-vessel junction node transm ission welding strength

YANGWenzhong
（Baotou Vocational&TechnicalCollege，Baotou 014035，China）

The ship manufacturing industry,steel welding need to have strong corrosion resistance，the method of numerical simulation analysis of ship corrosion resistant steel tubular joint transmission welding strength，corrosion resistant steel transmission welding process guidance.The traditional corrosion used steel tubular joint transmission simulation method numerical strength welding，using the section configuration transmission welding method，numerical analysis of welding crack insufficient point and the yield point.This paper proposes an improved marine corrosion resistant steel tubular joint transmission simulation method numerical strength welding，to ship damage model of steel corrosion resistantmaterials for the foundation，with the transmission of tubular joint corrosion of steel columns to simulate the distribution of welding strength of ship，ship corrosion resistant steel stiffness degradation welding stress damage model of force the damage of motion analysis，draw the conclusion of quantitative analysis.Using the unit internal heat generation rate to simulate the welding temperature field，the numerical simulation results are combined，the welding stress field numerical simulation and component damagemodel，design 23 groups of single pass weldingmodel and 6 groups ofmulti pass weldingmould for numerical simulation，analysis of corrosion resistant steel tubular joint construction of stiffness degradation of welding stress structure.Simulation and experimental results show that using thismodel to analyze themarine corrosion resistant steel tubular joint transmission welding strength results accurately，improve the transmission welding strength.

corrosion resistant steel；welding；numerical simulation

TG405

A

1001-2303（2015）07-0117-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.25

2015-04-12

杨文忠（1970—），男，内蒙古呼和浩特人，副教授，硕士，主要从事焊接技术及自动化、焊接工艺及设备等方面的教研工作。