吳劍國 朱榮成 馬 劍

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州310032；2.中國船級社 上海規(guī)范與技術(shù)中心 上海200135）

引 言

焊接系數(shù)（Weld Factor）是焊縫剪切強度系數(shù)wτ（Fillet Weld Factor On Shear Strength）的簡稱，其定義為角焊縫焊喉厚度與腹板厚度之比。船體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和承受載荷的多樣性，使得船體結(jié)構(gòu)角焊縫的計算極其復(fù)雜，而且工作量巨大。為方便設(shè)計者進行焊縫設(shè)計，國際上各船級社經(jīng)過長時間工程經(jīng)驗的積累，總結(jié)提出了計算船體結(jié)構(gòu)角焊縫尺寸的簡便方法——焊縫系數(shù)法。其中，不僅融合了大量的結(jié)構(gòu)受力分析，而且包含著試驗以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計的經(jīng)驗，經(jīng)過多年演變至今，形成現(xiàn)行的焊接系數(shù)規(guī)格表。然而，由于種種原因，焊接系數(shù)規(guī)格表系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)來源已不可循。ISSC-296［1］為分析角焊縫的強度，推薦采用非線性有限元方法進行大量的角焊縫分析，確定焊縫的最小尺寸，并建議采用光彈或類似的實驗來驗證數(shù)學(xué)建模和計算結(jié)果的有效性。ISSC-323［2］使用簡單的工程設(shè)計方法，通過測試驗證美國船級社（ABS）角焊縫尺寸，并把它們改成更加實用的形式，比其他規(guī)則更便于設(shè)計者使用。

我國造船業(yè)對焊接系數(shù)也曾做過一些研究［3-4］。焊縫設(shè)計的要求作為規(guī)范不可或缺的一部分，同樣需要按照GBS的要求進行驗證并接受審核。為此，中國船級社上海規(guī)范研究所聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)進行了船舶結(jié)構(gòu)焊接系數(shù)的方法確定和設(shè)計標準的研究，通過實船的計算分析［7-9］，證明目前規(guī)范（包括CSR-H）中的焊接系數(shù)的取值符合GBS船舶安全性的要求。

1 CSR與CSR-H對比

通過對CSR和CSR-H中的焊接系數(shù)的定性分析和計算比較，得出以下結(jié)論：

（1）聯(lián)系焊縫的焊接系數(shù)普遍較小，承載焊縫的焊接系數(shù)普遍較大。

（2）一些承擔載荷較小的次要構(gòu)件，如骨材，其焊接系數(shù)水平均較低。船體桁材等主要支撐構(gòu)件的焊接系數(shù)較大，使其能有效地傳遞并承擔載荷。

（3）對于焊接系數(shù)的取值還要考慮到其所在的位置，不同位置處由于構(gòu)件承受橫向載荷的不同，焊接系數(shù)也會有所變化。通常側(cè)向載荷較大，焊接系數(shù)也較大，如貨油艙區(qū)域。

（4）非密性的板材與密性板材的焊接系數(shù)差別很大，密性板材焊接系數(shù)要高于非密性板材。

（5）構(gòu)件跨度會影響焊接系數(shù)的大小。一般說來，構(gòu)件的跨度越大其焊接系數(shù)就越大，反之亦然。在同一跨度中，端部的焊接系數(shù)往往會高于跨中。

（6）板材厚度不同，焊接系數(shù)的大小也會不同。

定性分析確定焊接系數(shù)的影響因素，為焊縫應(yīng)力分析模型的建立以及焊接利用因子的確定打下了基礎(chǔ)。

對于載重噸為76 000 t的散貨船和115 000 t的雙殼油船，分別應(yīng)用CSR與CSR-H，計算出各個部位的焊腳尺寸，結(jié)果見表1。

表1 CSR與CSR-H對焊腳尺寸的要求

初步分析表明：CSR-H的焊接系數(shù)總體上不小于CSR的焊接系數(shù)。因此，只要驗證CSR焊接系數(shù)的安全性，CSR-H焊接系數(shù)即同樣安全。

2 焊接系數(shù)利用因子的確定

結(jié)構(gòu)有限元方法可以準確地計算出船體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。那么，如何從實船有限元計算模型中獲得各類構(gòu)件焊縫處的應(yīng)力，進行焊接系數(shù)規(guī)范要求的驗證呢？項目組為此構(gòu)建了8種焊縫強度計算模型和船體焊縫強度標準，建立一套采用有限元模型的焊接系數(shù)利用因子計算方法。重點解決了以下三個關(guān)鍵問題：

（1）在有限元模型中提取哪些應(yīng)力成分。有限元計算可以提供的應(yīng)力計算結(jié)果很多，哪些是能表征焊縫強度的應(yīng)力分量，這些量又如何與焊縫強度建立聯(lián)系，是首先需要解決的問題。針對船體不同部位構(gòu)件的受力特點，構(gòu)造出8種焊縫應(yīng)力計算模型，對于不同的結(jié)構(gòu)和載荷，相應(yīng)于不同的計算模型，需要提取不同的應(yīng)力。

（2）有限元的應(yīng)力結(jié)果與焊縫理論公式計算值是否一致。由于實船體量龐大，船體結(jié)構(gòu)有限元分析所用單元的尺度較大，通常板單元都在800 mm×800 mm左右，而焊腳高度一般都在10 mm以下，不可能在實船模型中建立焊縫模型進行單元劃分。因此，如何表征焊縫處的應(yīng)力、建立焊腳高度與焊縫應(yīng)力的關(guān)系，是本方法第二個要解決的問題。

（3）角焊縫有限元計算的應(yīng)力標準，即焊縫強度許用值。要獲得焊縫的焊接系數(shù)利用因子，就需要確定角焊縫有限元計算的焊縫強度許用值。而通常的焊縫強度許用值是根據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范確定的，不能直接應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)的有限元計算。兩者存在兩個差別：一是載荷與強度的體系不同；二是計算模型不同，一個是基于近似的焊縫平均應(yīng)力公式，一個是基于結(jié)構(gòu)的有限元計算。

利用13艘CSR實船的有限元應(yīng)力計算模型，獲得了各種構(gòu)件、各個工況的焊縫應(yīng)力，進行了規(guī)范焊接系數(shù)的驗證。焊接系數(shù)利用因子結(jié)果匯總見表2和表3。

焊縫強度利用因子的定義如下：

通過13艘實船的焊接利用因子計算表明：

（1）對CSR-OT：肋板對內(nèi)外底板、垂向肋板對舷側(cè)內(nèi)外板、橫艙壁對內(nèi)底板處的焊接系數(shù)利用因子雖滿足強度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.3；中桁材和旁桁材對內(nèi)外底板、肋板對縱桁處的焊接系數(shù)利用因子滿足強度要求，最大利用因子分布0.7左右，均值在0.3左右；骨材對甲板、邊艙、底板處的焊接系數(shù)的最大利用因子分布0.2左右，均值在0.2左右，強度裕度較大。

（2）對CSR-BC：中桁材、旁桁材對內(nèi)外底板處的焊接系數(shù)利用因子滿足強度要求，最大利用因子分布約0.9，均值約0.35；肋板對內(nèi)外底板、肋板對縱桁處的焊接系數(shù)利用因子雖滿足強度要求，但最大利用因子分布約0.9，均值約0.45；骨材對甲板、邊艙、底板處的焊接系數(shù)的最大利用因子分布約0.5，均值約0.2，強度裕度較大。

表2 CSR-OT焊接系數(shù)利用因子

表3 CSR-BC焊接系數(shù)利用因子

（3）總體而言，肋板和縱桁處焊接系數(shù)利用因子較高，骨材處焊接系數(shù)利用因子較低。

（4）現(xiàn)行船舶規(guī)范焊接系數(shù)均滿足強度要求，有些構(gòu)件應(yīng)力利用因子較低，有進一步優(yōu)化的空間。

3 模型試驗驗證

為進一步研究船體構(gòu)件間焊縫的受力性能，設(shè)計了焊接短柱和鋼梁的焊縫強度試驗。試驗的主要目的是確定焊縫剪切強度和驗證角焊縫剪應(yīng)力。

為此，項目組完成了4組短柱的焊縫受剪破壞試驗（如圖1所示），4個板條梁的焊縫模型實驗（如圖2所示），測試多種載荷作用下板條梁及焊縫的應(yīng)力。

圖1 短柱焊縫剪切破壞試驗

圖2 焊接工字梁的彎剪試驗實圖

對比短柱的焊縫受剪和梁的彎剪焊縫應(yīng)力測試值與焊縫應(yīng)力的理論計算值表明，焊縫應(yīng)力的理論計算方法正確，具有較高精度?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的安全系數(shù)在2.0倍以上，而實驗驗證梁的聯(lián)系焊縫破壞試驗與理論值之比達4.22，通常鋼結(jié)構(gòu)角焊縫的強度設(shè)計值用于船體梁聯(lián)系角焊縫的強度設(shè)計偏于保守。

4 結(jié) 論

項目組從理論、計算、試驗三個方面對CSR和CSR-H中焊接系數(shù)的利用因子進行研究并驗證現(xiàn)行規(guī)范，包括CSR-H焊接系數(shù)的安全性。建立了一套確定船體結(jié)構(gòu)焊接系數(shù)的理論方法，為規(guī)范今后的發(fā)展——建立基于凈尺寸的焊接系數(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

［1］ ISSC296.Review of fillet weld strength parameters for shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 296，1980.

［2］ ISSC323.Updating of fillet weld strength parameters for commercial shipbuilding［S］.Ship Structure Committee 323，1984.

［3］ 王承權(quán).船體結(jié)構(gòu)角焊縫的受力分析與剪切強度系數(shù)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，1983（2）：35-42.

［4］ 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(xué)報，1987（3）：141-151.

［5］ 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2014.

［6］ IACS.Common Structural Rules for Bulk Carriers and Double Oil tankers.2014.

［7］ 吳華鋒，吳劍國，朱榮成.船底結(jié)構(gòu)的焊縫強度研究［J］.船舶，2012（5）：43-47.

［8］ 余東方，吳劍國，沈傳釗，等.平面艙壁周界的焊縫研究［J］.船舶，2014（5）：56-60.

［9］ 牛思彬，吳劍國，沈傳釗，等.船體結(jié)構(gòu)角焊縫的應(yīng)力分析與試驗［J］.造船技術(shù)，2014（6）：46-49.