平面艙壁周界的焊縫研究

余東方吳劍國朱榮成

（1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院 杭州310032；2.中國船級社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

平面艙壁周界的焊縫研究

余東方1吳劍國1朱榮成2

（1.浙江工業(yè)大學 建筑工程學院 杭州310032；2.中國船級社 上海規(guī)范研究所 上海200135）

利用焊縫計算模型法、有限元法對CSR-OT規(guī)范中平面艙壁周界焊接系數進行實船驗證，以一艘阿芙拉型雙殼油船平面艙壁結構為例，在不同工況荷載作用下，計算出平面艙壁對內底板處焊縫的焊縫強度利用因子。兩種算法的計算結果表明：規(guī)范中此處焊接系數滿足強度要求且有安全余量。該研究對進一步理解CSR-OT規(guī)范焊接系數規(guī)格表具有一定參考價值。

角焊縫；力學模型；焊縫強度

引 言

船體平面艙壁裝載后會承受較大側向荷載，故艙壁周界角焊縫的強度對保證船體安全非常重要。CSR-OT規(guī)范中規(guī)定了平面艙壁周界焊縫強度并沿用至今，但如何驗證實船的安全性，確定安全裕度，以及規(guī)范是否有優(yōu)化空間等問題都有待解答，這也是本文的研究目的。同時，平面艙壁周界焊縫研究可為密性板材周界焊縫研究提供參考。

角焊縫按受力形式可分為承載焊縫、聯(lián)系焊縫以及雙重性焊縫。在國內，王承權等人在文獻中指明每類角焊縫的強度條件，對聯(lián)系角焊縫，提出剪切力學模型，闡述角焊縫剪切強度系數的涵義及其在填角焊縫設計中的應用［1］。吳華峰等人對船底結構的焊縫強度計算提出力學模型，并對CCS規(guī)范做了實船驗證［2］。國際上，ISSC-296 為了分析角焊縫的強度，采用有限元方法進行大量的角焊縫分析，確定角焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類似的實驗檢驗數學建模和計算結果的有效性［3］。ISSC-323使用簡單的工程設計方法，通過測試驗證ABS規(guī)范中的角焊縫尺寸，并把它們改成更加實用的形式，較其他規(guī)則更便于設計者使用［4］。

本文利用薄板彎曲理論，建立平面艙壁周界角焊縫應力模型。根據角焊縫強度理論，得出焊縫強度利用因子的計算公式。以一艘阿芙拉型雙殼油船艙壁結構為例，在不同工況荷載作用下，分別通過焊縫應力模型和有限元方法計算出平面艙壁對內底板處焊縫的應力，驗證當前CSR-OT規(guī)范中艙壁周界焊縫強度。

1 焊縫強度利用因子

為了驗證CSR-OT規(guī)范中艙壁結構焊縫的安全性，本文采用有限元方法和焊縫應力模型，計算一艘油船的艙壁焊縫的應力，并與角焊縫比較應力進行比較，獲得了CSR油船焊接規(guī)格表的焊縫強度利用因子。當焊縫強度利用因子小于1時，焊縫滿足強度要求，且利用因子越小，安全余量越大。

焊縫強度利用因子的定義如下：

此處應注意兩點：

2 角焊縫強度公式

角焊縫中的應力分布較為復雜（參見圖1），強度計算中必須加以簡化，并作以下三個假定［5］：

圖1 角焊縫的截面應力分析

（1）采用沿45°方向的焊縫截面為計算時的破壞面；

（2）角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度設計值，歐洲設計規(guī)范中取相同數值并記作fvw，d；

（3）在通過焊縫形心的拉力、壓力和剪力作用下，假定沿焊縫長度lw方向的應力是均勻分布的。

角焊縫強度公式如下［6］：

角焊縫受互相垂直的力Nx和Ny作用見圖1（b）。將焊縫應力分解為垂直焊縫長度方向的應力σf和平行于焊縫長度方向的應力τf，故：

將（3）式代入（2）式，焊接強度公式簡化如下：

式中：hf為角焊縫的焊角高度；he為角焊縫的焊喉尺寸；σ⊥為垂直于焊縫有效截面的正應力；τ⊥為垂直于焊縫長度方向的剪應力；τ∥為平行于焊縫長度方向的剪應力；fu為相連母材中牌號較小母材的極限拉伸強度；βw為相關因子；γMw為焊縫分項系數（取1.25）；fvw，d為角焊縫強度設計值（對與CCSA配套的焊接材料，fvw，d= 208 N/mm2；對與AH32、AH36配套的焊接材料，fvw，d= 262 N/mm2）。

3 焊縫應力計算方法

艙壁結構主要承受隔艙裝載時產生的單面?zhèn)认蚝奢d，荷載在艙壁周界產生較大彎矩。此處焊縫的主要作用是傳遞彎矩給舷側和底板以及其他構件。

3.1 模型法

油船艙壁為受均布荷重的船體板。由于荷重和結構都對稱于板格的支座，因此認為板的四邊為剛性固結在剛性支座上［7］。求解薄板的彎曲問題，得到板各邊的中點彎矩。焊接邊的彎矩由焊縫承擔，如艙壁與內底板的焊接處，根據受力平衡可計算出焊縫上的應力大小，如圖2中，長邊為a、短邊為b的四周剛性固結受均布荷載q作用的矩形板的彎矩計算公式如式（5）、式（6）所示。

圖2 四周剛性固結板

板短邊的中點的彎矩（N·mm/mm）：

板長邊的中點的彎矩（N·mm/mm）：

式（5）和式（6）中：k1、k2均由查表所得，它隨板的邊長比a / b而變化。

平面艙壁板被骨材、主要支撐構件劃分成若干矩形板，與周界板相連處的矩形板焊接邊的受力情況見圖3。焊縫主要傳遞板邊彎矩，傳遞側向荷載產生的剪應力很小，可忽略不計。設焊腳尺寸為hf，板厚為t，則選取單位長度板材進行受力分析。

圖3 板短邊焊縫受力分析

根據受力平衡，求解板短邊處焊縫應力σf1：

聯(lián)立式（7）、式（8）得出：

同理，板長邊處焊縫應力：

當a / b相當大時，k1= 0.057 1，k2= 0.083 3。

3.2 有限元法

計算一艘雙殼油船的有限元模型，取出所需焊接處立板單元的應力，轉換得出焊縫立板應力。平面艙壁與內底板處焊縫以承受拉應力為主，故以立板單元上的正應力代入式（4）轉換后作為焊縫立板應力。

4 焊縫強度利用因子實船驗證

本文以一艘阿芙拉型雙殼油船做驗證實例，該船貨艙舷側區(qū)域采用CCSA，其余采用 AH32。貨艙區(qū)域為雙舷側結構，艙壁采用橫向平板艙壁與縱向平板艙壁結構。

艙段有限元模型的縱向范圍選取貨艙區(qū)的3個艙，在工況LC1～LC23（各工況分別對應CCS-OT結構強度評估中裝載工況）下進行有限元計算，其中LC1～LC19為動載工況，LC20～LC23為靜水荷載。取出各個工況下縱橫艙壁與內底板焊接處立板單元的側向荷載、單元正應力。側向荷載可代入式 （9） 或者式（10）求出的艙壁焊縫的應力，通過式（1）即可求出模型法的焊縫強度利用因子。

實船驗證的艙壁部位為橫艙壁和縱艙壁兩個部位，如圖4所示，CSR-OT規(guī)范中規(guī)定縱向艙壁、橫向艙壁連至內底板焊接系數為0.51，計算得到其焊腳尺寸與比較應力見表1［8］。

圖4 艙壁位置示意圖

表1 參數計算表

各艙壁的焊縫強度利用因子計算結果見表2。

表2 艙壁焊縫強度利用因子MPa

續(xù)表2

模型法與有限元法利用因子匯總見圖5、圖6。

從表2中可知，計算的焊縫強度利用因子均小于1，所以CSR-OT規(guī)范中規(guī)定艙壁周界焊縫的焊縫強度滿足焊縫強度要求。

圖5 橫艙壁利用因子子

圖6 縱艙壁利用因

從圖5、圖6可見，模型法與有限元法計算出的利用因子波動相似、結果相近，故模型法能幫助理解規(guī)范焊縫強度規(guī)格表。

5 結 論

對某大型雙殼油船平面艙壁周界焊縫的強度利用因子進行統(tǒng)計處理，結果見表3。

表3 艙壁周界焊縫的焊縫強度利用因子的統(tǒng)計結果

表3統(tǒng)計結果顯示，艙壁周界處焊縫利用因子最大值為0.69，均值在0.30左右。故CSR-OT規(guī)范對于此處焊縫強度的設置是安全的，并有一定的富裕量。

艙壁周界角焊縫要傳遞側向荷載產生的正應力，故CSR-OT規(guī)范中采用較大的焊縫強度，以保證滿足焊縫強度要求。

［1］ 王承權. 船體結構角焊縫的受力分析與剪切強度系數［J］.武漢理工大學學報，1983（2）：35-42.

［2］ 吳華鋒，吳劍國，朱榮成. 船底結構的焊接系數研究［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.正面角焊縫的靜載強度及其計算公式的探討［J］.焊接學報，1987（3）：141-151.

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

［7］ 陳鐵云，陳伯真.船舶結構力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1991：72-82.

［8］ 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)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

余東方（1989-），男，碩士，研究方向：鋼結構設計。

吳劍國（1963-），男，博士，教授，研究方向：船舶工程復合材料結構力學、結構優(yōu)化設計、結構可靠性分析以及鋼結構設計。

朱榮成（1981-），男，碩士，工程師，研究方向：船體結構規(guī)范。