楊文忠

（包頭職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014035）

艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬

楊文忠

（包頭職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014035）

艦船制造工業(yè)中，鋼材焊接要求具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度的數(shù)值模擬方法，指導(dǎo)耐腐蝕鋼透射焊接工藝。傳統(tǒng)的耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬方法，采用截面配置透射焊接方法，對焊接開裂點和屈服點等特征點的數(shù)值分析不足。提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎(chǔ)，對艦用耐腐蝕鋼柱的相貫節(jié)點透射焊接強度進行模擬分布，構(gòu)建艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應(yīng)力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結(jié)論。采用單元內(nèi)部生熱率模擬焊接，結(jié)合溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，進行焊接應(yīng)力場數(shù)值模擬和構(gòu)件損傷模型分析，設(shè)計23組單道焊模型和6組多道焊模行進行數(shù)值模擬，分析耐腐蝕鋼相貫節(jié)點構(gòu)建剛度退化焊接應(yīng)力結(jié)構(gòu)。仿真實驗結(jié)果表明，采用該模型分析艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度結(jié)果精確，提高了透射焊接強度。

耐腐蝕鋼；焊接；數(shù)值模擬

0 前言

鑒于海水的強腐蝕性，對艦船制造的鋼材焊接具有較高的要求。艦用鋼板需要具有較高的耐腐蝕性，金屬與海水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而損耗和變質(zhì)，由于焊接點的不均勻性可由金屬本身（如晶界、夾雜等）或金屬表面不同部位上介質(zhì)的變化（如氧濃差等）而產(chǎn)生腐蝕。碳鋼在海水中的平均腐蝕速度為0.05～0.13mm/y，而點蝕速度可達平均年腐蝕率的10倍。影響鋼在海水中腐蝕速度的主要因素是鋼表面氧的供給速度，此外還有溫度、流速、污損生物、石灰質(zhì)垢。艦船制造工業(yè)中，鋼材焊接需要具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度的數(shù)值模擬方法，指導(dǎo)耐腐蝕鋼透射焊接工藝。研究艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)下的焊接結(jié)構(gòu)的損傷程度，并對其定量分析，掌握結(jié)構(gòu)損傷激勵，分析焊接構(gòu)件剛度退化與焊接應(yīng)力的損傷模型，在提高焊接節(jié)點的耐腐蝕性上有重要意義[1]。

碳鋼是開發(fā)海洋資源設(shè)施中應(yīng)用較廣泛的結(jié)構(gòu)材料，也是艦用耐腐蝕鋼的重點選材，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要對鋼架結(jié)構(gòu)進行焊接處理。焊接是鋼結(jié)構(gòu)中最重要和最普遍的連接方式[1]，影響鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量因素較多，表現(xiàn)為焊接殘余應(yīng)力分析、鋼結(jié)構(gòu)焊接點的延性斷裂機理分析和接節(jié)點的高周疲勞性能等，這些因素都是影響焊接鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性和強度的直接因素。當前對焊接應(yīng)力損耗模型的研究處于起步階段，多為研究小型構(gòu)件的焊接數(shù)值在結(jié)構(gòu)構(gòu)件建立的損傷模型中的關(guān)系模型[2]。隨著對艦用耐腐蝕鋼剪力、阻尼力以及恢復(fù)力等結(jié)構(gòu)力學(xué)的深入分析，國內(nèi)外對艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷模型的分析開始向著動力學(xué)分析方向展開，文獻[3]研究了以強度、剛度和位移為力學(xué)參數(shù)的橋墩受力性能，在焊接應(yīng)力點的開裂點和屈服點等特征點剪力荷載-位移恢復(fù)力模型，并進行了艦用耐腐蝕鋼剪力墻的抗腐蝕壓強度分析，得到了往復(fù)荷載下的前兩損傷程度評價模型；文獻[4]采用截面配置艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接方法，配置了一種新型的艦用耐腐蝕鋼艦用耐腐蝕鋼骨架有限元模型，分析了其能量耗散原理。但模型試驗沒有針對焊接層的阻尼力和抗拉、抗剪強度進行定量研究。針對上述問題，提出了一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎(chǔ)，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力強度值進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應(yīng)力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結(jié)論[5-10]。采用ANSYS軟件分析焊接結(jié)構(gòu)的損傷云圖，仿真實驗結(jié)果表明采用該模型分析結(jié)果精確。

1 艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力擬合模型

建立艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)的透射焊接強度數(shù)值關(guān)系模型，需要首先進行艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點焊接鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。對接焊縫沿垂直于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力分布模型表達式為

艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)金屬的延性斷裂機制通常表現(xiàn)為空穴形核、擴張和聚合的演變過程，這一過程中需要通過微觀機制的鋼材斷裂判據(jù)分析構(gòu)件鋼度退化與焊接應(yīng)力的損傷模型，提高建筑強力鋼度。綜合考慮焊接殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力分布模型，進行耐腐蝕鋼相貫節(jié)點剛度退化與焊接應(yīng)力關(guān)系分析，得到接焊縫沿垂直于焊縫方向數(shù)值模擬函數(shù)為

式中x為艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點材料的橫向彈性模量；y為艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點材料的縱向彈性模量。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的焊接殘余應(yīng)力滿足殘余應(yīng)力的自平衡特征，本研究在特征分解的基礎(chǔ)上，對一些典型的焊接形式進行數(shù)值模擬，得到鋼架構(gòu)的拉應(yīng)力區(qū)應(yīng)力寬度為

通過上述分析，得到艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力擬合模型，在對接焊縫沿垂直于焊縫方向數(shù)值模擬函數(shù)分析的基礎(chǔ)上，首先給出有限元結(jié)構(gòu)件模型，采用ETABS軟件進行模擬，為下一步進行節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬提供有限元模型基礎(chǔ)。

圖1 焊接應(yīng)力有限元模型

1.2 艦用耐腐蝕鋼的透射焊接強度模量分析

在對鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力擬合模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定耐腐蝕鋼相貫節(jié)點高度為10.4m，中間層為標準高度，設(shè)定為4.2m，總高度14.6m，在進行有限元模型構(gòu)件中，得到道焊模型取半結(jié)構(gòu)計算式為

式中r1為艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點材料的初始損傷材料自由能退化值；r2為材料總的自由能；c1，c2為常數(shù)。

在艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點損傷構(gòu)件模型的模單元、梁、柱結(jié)構(gòu)中，分析損傷狀態(tài)下構(gòu)件單元體的剛度?？紤]損傷構(gòu)件剛度退化系數(shù)曲線，得到典型框架核心結(jié)構(gòu)下的截面抗彎剛度在墻體中的底部剪力作用分布。海水中金屬的電化學(xué)腐蝕是由于金屬表面的電化學(xué)不均勻性引起的，給出艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力擬合模型，艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力擬合模型是以塑性變形以及承載力乘積的焊接鋼結(jié)構(gòu)的造價限制模型的設(shè)計為基礎(chǔ)[8]。把恒荷載作為質(zhì)量點加在梁上，分析得到節(jié)點的累積滯回能表示為

綜合考慮最大塑性位移的影響以及累積耗能的作用，得到荷載作用下梁的破壞應(yīng)力模型為

把艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點的梁翼緣與柱翼緣焊接，梁腹板與柱翼緣上耳板通過高強度摩擦型螺栓連接，試件屈服前采用荷載增量控制，分3級，每級循環(huán)1次，得到對建筑中的鋼結(jié)構(gòu)焊接造價控制滯回概率特征，表示為：

2 相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬實現(xiàn)

提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎(chǔ)，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力試驗進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應(yīng)力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，建立多尺度鋼框架非線性有限元模型，采用精細有限元模型建立艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點區(qū)域和細部構(gòu)造，得到艦用耐腐蝕鋼框架尺寸如圖2所示。

圖2 艦用耐腐蝕鋼框架尺寸

結(jié)合圖2進行透射焊接，對每個條帶釋放的殘余應(yīng)變采用單元內(nèi)部生熱率來模擬焊，得到開裂點和屈服點等特征低昂去能量控制迭代優(yōu)化方程為

式（9）表示含參數(shù)λ的n階混合函數(shù)，其中λ為有效熱功率的分布特征，t為焊道的橫截面積間隔樣點。設(shè)定鋼管和鋼梁的抗腐蝕強度等級為Q345，結(jié)合焊接應(yīng)力作用進行艦用耐腐蝕鋼剛度退化阻尼系數(shù)分組，設(shè)計MAXWELL損傷材料自由能退化連接單元，不考慮焊接應(yīng)力的非線性行為，設(shè)定彈塑性損傷本構(gòu)模型斷裂阻尼比為0.04，抗剛度沖擊加速峰值計算迭代式為

式中θ（K）為構(gòu)建剛度退化強化模量。

設(shè)計兩條能反映艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點構(gòu)件的損傷程度，采用非線性動力時程分析方法，對焊接殘余應(yīng)力影響系數(shù)進行歸納擬合出，結(jié)合我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范也給出了焊接殘余應(yīng)力的分布數(shù)據(jù)，采用單元內(nèi)部生熱率來模擬焊接，結(jié)合溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，進行焊接應(yīng)力場數(shù)值模擬和構(gòu)件損傷模型分析，將損傷參數(shù)矢量化，通過設(shè)計23組單道焊模型和6組多道焊模行進行數(shù)值模擬，分析耐腐蝕鋼相貫節(jié)點構(gòu)建剛度退化焊接應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

3 試驗分析

為了測試模型對艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬的性能，進行試驗分析和驗證。假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)樓板厚度取100mm，縱筋采用HRB335，地基土承載力特征值fak=180MPa，采用多道焊模型，得到焊接強度等級分為C70、C60、C50和C40四個強度等級。設(shè)定模型的坐標系為xOy，其中x軸長50m，y軸長40m，采用有限元分析方法，試驗中鋼筋選材和焊接熱分析采用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范（GB50017-2003），試件RI2-460和RI3-460的截面尺寸設(shè)計為：翼緣和腹板的板件寬厚分別為10mm和14mm，板件寬厚比和板厚完全相同但焊縫類型不同，得到殘余應(yīng)力數(shù)值隨焊縫類型不同的變化規(guī)律。試驗中，焊接電壓U=24 V，電流I=250 A。需要進行鋼結(jié)構(gòu)焊接的截面尺寸設(shè)計，如表1所示。

表1 鋼焊接試件尺寸

數(shù)值測試中，鋼構(gòu)梁徑布置50m+80m+50m，取屈服強度335MPa。采用ABAQUS軟件進行有限元建模，考慮翼板與鋼管壁之間焊縫的形狀及尺寸對節(jié)點性能的影響?？紤]不同焊接開裂參數(shù)、焊道數(shù)以及板件熱流分配系數(shù)的影響，對艦用耐腐蝕鋼柱的擬靜力試驗進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應(yīng)力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，在一定焊接成本下，鋼結(jié)構(gòu)的斷裂預(yù)測云圖分析結(jié)果如圖3所示。

為了對比方法的性能，采用本研究模型和傳統(tǒng)模型，以焊接強度為測試指標，得到不同相貫節(jié)點的透射焊接強度對比結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，采用本研究方法對焊接強度進行數(shù)值模擬，分析不同焊接節(jié)點的焊接質(zhì)量，實現(xiàn)對焊接強度的數(shù)值模擬，以最小的造價成本達到最優(yōu)的焊接質(zhì)量，提高了透射焊接強度。

4 結(jié)論

由于海水的強腐蝕性，對艦船制造的鋼材焊接具有較高的要求。在艦船制造工業(yè)中，鋼材焊接需要具有較強的耐腐蝕性，分析艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度的數(shù)值模擬方法，指導(dǎo)耐腐蝕鋼透射焊接工藝。研究艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點結(jié)構(gòu)下的焊接結(jié)構(gòu)的損傷程度，并對其定量分析，掌握結(jié)構(gòu)損傷激勵，分析焊接構(gòu)件剛度退化與焊接應(yīng)力的損傷模型，在提高焊接節(jié)點的耐腐蝕性上有重要意義。提出一種改進的艦用耐腐蝕鋼相貫節(jié)點透射焊接強度數(shù)值模擬方法，以艦用耐腐蝕鋼材料損傷模型為基礎(chǔ)，對艦用耐腐蝕鋼柱的相貫節(jié)點透射焊接強度進行模擬分布，得到艦用耐腐蝕鋼剛度退化焊接應(yīng)力作用下的損傷模型，進行損傷運動分析，得出定量分析結(jié)論。采用本研究方法對焊接強度進行數(shù)值模擬，分析不同焊接節(jié)點的焊接質(zhì)量，實現(xiàn)對焊接強度的數(shù)值模擬，以最小的造價成本達到最優(yōu)的焊接質(zhì)量，提高了透射焊接強度，可指導(dǎo)焊接工藝改進。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)斷裂預(yù)測

圖4 不同相貫節(jié)點的透射焊接強度對比結(jié)果

[1]寇佳亮，梁興文，鄧明科.纖維增強混凝土剪力墻恢復(fù)力模型試驗與理論研究[J].土木工程學(xué)報，2013，46（10）：58-70.

[2]劉本學(xué)，郝飛，張志峰，等.高速液壓夯實機動力學(xué)模型試驗[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，29（1）：95-98.

[3]王偉，廖芳芳，陳以一.基于微觀機制的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點延性斷裂預(yù)測與裂后路徑分析[J].工程力學(xué)，2014，31（3）：101-108.

[4]韓淼,李守靜,劉健兵.設(shè)防水準對典型框架結(jié)構(gòu)土建工程造價的影響[J].工程力學(xué)，2010，27（sup.1）：99-107.

[5]李敏，李宏男.建筑鋼筋動態(tài)試驗及本構(gòu)模型[J].土木工程學(xué)報，2010，43（4）：70-75.

[6]張煥新，方建勤，黃水泉.液壓夯實技術(shù)補強高速公路臺背路基施工工藝試驗研究[J].公路，2010，1（6）：140-143.

[7]王偉，廖芳芳，陳以一.基于微觀機制的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點延性斷裂預(yù)測與裂后路徑分析[J].工程力學(xué)，2014，31（3）：101-108.

[8]李忠獻，路建輝，師燕超，等.不確定爆炸荷載作用下鋼梁的可靠度分析[J].工程力學(xué)，2014，31（4）：112-118.

[9]張濤.軌道交通對我國城市群發(fā)展的導(dǎo)向作用研究[J].科技通報，2013，29（7）：214-217.

[10]王旭.東南沿海地區(qū)臺風(fēng)特性及低矮建筑屋蓋風(fēng)壓實測研究[D].上海：同濟大學(xué)，2013.

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

楊文忠（1970—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，碩士，主要從事焊接技術(shù)及自動化、焊接工藝及設(shè)備等方面的教研工作。