李磊鑫，劉 勇，陳爐云

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海200240；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；3.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011）

焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射影響研究

李磊鑫1，2，劉 勇3，陳爐云1

（1.上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點實驗室，上海200240；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；3.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011）

文章重點研究了焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射的影響。通過運用熱彈塑性有限元法數(shù)值模擬環(huán)肋圓柱殼對接焊接過程，得到厚板環(huán)形焊縫的三維殘余應(yīng)力場和應(yīng)變場，然后對含有殘余應(yīng)力的環(huán)肋圓柱殼動力特性進(jìn)行研究，并運用有限元法和邊界元法分析了低頻激勵下其水下聲輻射的特點。研究結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼聲輻射有較明顯的影響，不僅使聲輻射功率曲線和外場聲壓曲線向低頻移動，而且使在大部分激勵頻率上含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的聲輻射功率和外場聲壓均大于無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

焊接殘余應(yīng)力；環(huán)肋圓柱殼；聲輻射

0 引 言

水下噪聲影響了潛艇的隱蔽性，如何降低潛艇噪音一直是各國海軍重點研究的課題[1]。環(huán)肋圓柱殼是潛艇的一種基本結(jié)構(gòu)形式，潛艇耐壓殼通常是由若干個環(huán)肋圓柱殼焊接裝配而成，因此在焊縫附近不可避免地存在著焊接殘余應(yīng)力。由于焊接殘余應(yīng)力的存在，致使結(jié)構(gòu)在外部激振力作用下動力特性發(fā)生變化，從而影響其水下聲輻射特性。研究焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射的影響，對潛艇噪聲輻射研究有著重要的實際意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對圓柱殼環(huán)縫焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。Smith[2]運用熱彈塑性有限元法對厚板焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好，并在模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上分析了殘余應(yīng)力分布特點。洪江波等[3]對一個廢棄的大型耐壓殼環(huán)縫焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了實驗研究，分析了焊接殘余應(yīng)力場的分布特點。李良碧等[4]采用數(shù)值模擬和實驗方式對高強鋼錐柱結(jié)合殼焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了定量研究，研究結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。

近些年來，水下結(jié)構(gòu)聲輻射問題越來越引起人們關(guān)注。周等[5]將有限元法和邊界元法結(jié)合起來，提出了計算水下結(jié)構(gòu)聲輻射的數(shù)值計算方法。Sascha Merz等[1]研究了螺旋槳激振力作用潛艇耐壓殼結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和聲輻射特點。郭新毅等[6]提出了一種含損傷加筋板結(jié)構(gòu)輻射聲功率和指向性研究方法。黃振衛(wèi)等[7]對焊接缺陷對水下結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲的影響進(jìn)行研究，指出焊接缺陷的位置對環(huán)肋圓柱殼水下噪聲輻射影響較大。

但是目前還鮮有文獻(xiàn)論述焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下輻射噪聲影響，本文以某一典型環(huán)肋圓柱殼為例，運用熱彈塑性有限元方法計算典型環(huán)肋圓柱殼環(huán)縫焊接殘余應(yīng)力，然后采用有限元法和邊界元法相結(jié)合的方式求解含有焊接殘余應(yīng)力環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射功率和外場聲壓。研究結(jié)果表明焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射有明顯的影響。

1 焊接殘余應(yīng)力分析

1.1 熱彈塑性有限元法理論

20世紀(jì)70年代初在有限元理論的基礎(chǔ)上，考慮材料力學(xué)性能與溫度變化關(guān)系的熱彈塑性有限元理論發(fā)展起來，加上日益普及的高性能電子計算機和相關(guān)軟件的廣泛應(yīng)用，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的數(shù)值模擬和理論預(yù)測成為可能。數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)實驗方法相比，不僅方便快捷，節(jié)省大量的人力物力，而且由于受客觀條件限制較少，可以進(jìn)行一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力分析。國內(nèi)外許多學(xué)者就數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了各種結(jié)構(gòu)形式、材料特性和焊接工藝下的焊接數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比[8-13]。研究結(jié)果表明，數(shù)值模擬方法具有較高準(zhǔn)確性。

針對環(huán)肋圓柱殼這種大型結(jié)構(gòu)，本文將運用熱彈塑性有限元方法對其環(huán)焊縫焊接殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變進(jìn)行計算，同時采用生死單元技術(shù)模擬焊接填充物。焊接過程使用MSC.Marc軟件進(jìn)行模擬。

1.2 焊接模型

本文以某一典型環(huán)肋圓柱殼為例，運用熱彈塑性有限元方法分析該結(jié)構(gòu)典型環(huán)縫焊接殘余應(yīng)力。耐壓殼結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，環(huán)型內(nèi)肋骨為T型材，T型材尺寸為⊥，其腹板和翼板結(jié)合處采用雙面焊，腹板與耐壓殼采用交替雙面多道焊。為了重點考察耐壓殼對接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力對水下聲輻射的影響，文中忽略了T型材的腹板與翼板焊接殘余應(yīng)力，以及環(huán)型內(nèi)肋骨與耐壓殼焊縫的殘余應(yīng)力。

表1 環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of ring stiffened cylindrical shell

圖1 焊縫破口形式Fig.1 Weld groove form

圓柱殼材料為高強度合金鋼，其物理特性參數(shù)[11]如表2所示。對接焊縫位于圓柱殼的軸向的中間位置，采用手工電弧焊焊接，坡口型式如圖1所示，焊接速度為60 mm/min，內(nèi)外表面進(jìn)行雙面焊，焊接順序為由外及內(nèi)。

表2 高強度鋼物理特性Tab.2 Mechanical material properties

考慮模型的軸對稱性、厚度尺寸以及實際工藝，取環(huán)肋圓柱殼的1/4建立有限元模型（如圖2所示）。圓柱殼采用六面體單元進(jìn)行劃分，環(huán)形肋骨則采用板單元和梁單元進(jìn)行劃分。

在計算溫度場時，取對稱面為絕熱邊界條件，其它各面均施加表面對流邊界條件。對流系數(shù)為40W/（m2·K）室溫為0℃。在計算應(yīng)力場時，在對稱面施加對稱邊界，對A、B、C、D四處（如圖2所示）進(jìn)行剛性固定，以保證模型整體無剛性位移。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element mesh

1.3 焊接殘余應(yīng)力分析

由于圓柱殼的軸對稱性，我們重點考察垂直焊縫方向上各節(jié)點的縱向焊接殘余應(yīng)力。以與焊縫中心線距離為橫坐標(biāo)，縱向殘余應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制縱向殘余應(yīng)力變化圖（圖3）。從圖3可以看出外壁上的殘余應(yīng)力在焊縫及其附近區(qū)域均為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫后轉(zhuǎn)變拉應(yīng)力。于此相反，內(nèi)壁上的殘余應(yīng)力在焊縫及其附近區(qū)域均為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫后轉(zhuǎn)變壓應(yīng)力。同時無論在內(nèi)壁還是外壁，圓柱殼縱向殘余應(yīng)力基本關(guān)于焊縫中心位置對稱，在焊縫附近殘余應(yīng)力變化劇烈，距離焊縫較近遠(yuǎn)的區(qū)域殘余應(yīng)力變化比較平穩(wěn)。在焊縫附近出現(xiàn)兩個大小相當(dāng)、位置對稱的峰值，這是厚板焊接的一個顯著特征，與文獻(xiàn)[14]的分析結(jié)果相符。

圖3 縱向殘余應(yīng)力Fig.3 Longitudinal residual stress

圖4 橫向殘余應(yīng)力Fig.4 Transverse residual stress

以圓心角為橫坐標(biāo)，平行于焊縫方向焊趾處的橫向殘余應(yīng)力值為縱坐標(biāo)，繪制了橫向殘余應(yīng)力變化圖（圖4）。橫向殘余應(yīng)力變化趨勢與文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果相符合。焊縫兩端附近的殘余應(yīng)力分布和焊接方向有關(guān)，起焊端附近焊縫中心是拉應(yīng)刀，而在終焊端附近則是壓應(yīng)力。從圖4可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁的橫向殘余應(yīng)力峰值大于外壁，這是由于焊接順序是由外及內(nèi)，外壁焊縫受到二次加熱，殘余應(yīng)力部分釋放所造成的。另外從圖3和圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，橫向殘余應(yīng)力峰值大于縱向殘余應(yīng)力。

綜上所述，吉西他濱聯(lián)合卡鉑對肺癌患者病情有較好的控制作用，其治療作用的發(fā)揮與調(diào)節(jié)血清IL-2、IFN-γ、TNF-α與IGF-1水平有關(guān)，其中IL-2和IFN-γ與治療效果呈顯著正相關(guān)，TNF-α和IGF-1與治療效果呈顯著負(fù)相關(guān)。

2 焊接殘余應(yīng)力對水下聲輻射影響

2.1 焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)模態(tài)影響

在運用熱彈塑性有限單元法計算焊接殘余應(yīng)力時，由于溫度變化范圍較大，材料參數(shù)將隨溫度的變化而變化，同時結(jié)構(gòu)局部會發(fā)生較大變形，因此單元的剛度可以表示為：

式中：u表示單元節(jié)點的位移，T表示溫度，t表示時間，B為應(yīng)變矩陣，D為應(yīng)變矩陣。

在焊接殘余應(yīng)力的計算過程中，在某個特定的時間點，首先計算溫度場，然后由溫度場計算出位移場。在位移場的計算過程中，由于材料和幾何的非線性，需要運用數(shù)值方法計算節(jié)點的位移，在得到位移的同時也得到了單元剛度矩陣。

則含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的運動控制方程為：

假設(shè)無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為K，令ΔK=K-Kw，ΔK表示焊接過程引起的變化剛度矩陣。則（1）式可以改寫為：

當(dāng)考慮到流固耦合作用時，焊接結(jié)構(gòu)的動力運動控制方程為：

以前面的環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)為例，假設(shè)其位于水深30 m處。在不考慮自由液面的影響的前提下，對它進(jìn)行含有焊接應(yīng)力情況下的模態(tài)分析，焊接預(yù)應(yīng)力只計入耐壓殼對接環(huán)焊縫處的殘余應(yīng)力。邊界條件為E端簡支約束，F(xiàn)端自由（如圖5所示）。表3為結(jié)構(gòu)含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)和無焊接殘余應(yīng)力的固有頻率比較表。

圖5 環(huán)肋圓柱體和外部場點位置圖Fig.5 Location of ring stiffened cylindrical shell and field point

表3 固有頻率比較表（Hz）Tab.3 The comparison of natural frequencies(Hz)

由表3可以看出，無論是高階模態(tài)還是低階模態(tài)，含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的固有頻率值較無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)要低，這是由于焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)局部剛度弱化造成。由此可見焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，對結(jié)構(gòu)模態(tài)會產(chǎn)生明顯的影響。

2.2 焊接殘余應(yīng)力對水下聲輻射影響

根據(jù)（3）式，含有焊接殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)聲輻射耦合運動控制方程為：

式中：Ca為附加流體阻尼。

在進(jìn)行低頻載荷作用下的結(jié)構(gòu)聲輻射數(shù)值分析時，由于Ca遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ma，可以將其忽略不計，這樣結(jié)構(gòu)聲耦合方程中只包含附加質(zhì)量矩陣Ma，在一定程度上使方程（4）簡化[15]。只要求出附加質(zhì)量矩陣Ma，然后將其代入流固耦合運動控制方程進(jìn)行求解，就可以得到的結(jié)構(gòu)表面法向速度，將其作為邊界條件代入直接邊界元法進(jìn)行聲輻射計算。在本文中聲輻射計算使用的是Sysnoise軟件。

由于不均勻伴流的作用，流體對螺旋槳產(chǎn)生激振力，該激振力通過推進(jìn)系統(tǒng)傳遞到船體結(jié)構(gòu)。在本文中我們將激振力簡化為分布力載荷直接均勻地施加在環(huán)肋圓柱體模型的F端。激振力幅值為75 N，頻率范圍為10-500 Hz，頻率間隔為5 Hz。因為激勵頻率屬于低頻范圍，所以不考慮焊接結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的焊接殘余應(yīng)力釋放。同時在距離環(huán)肋圓柱殼中心軸2 m處設(shè)立一個場點（如圖5所示）。水的聲學(xué)特性如表4所示。

表4 水的聲學(xué)特性Tab.4 Acoustical properties of water

圖6和圖7分別為含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)與無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)聲輻射功率和場點聲壓級隨激勵頻率變化對照圖。

圖6 聲功率比較圖Fig.6 Comparison of sound power

圖7 場點聲壓比較圖Fig.7 Comparison of sound pressure

從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)：

（1）含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的聲輻射功率曲線和場點聲壓曲線較無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)整體向低頻移動，這是由于焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)固有頻率降低所造成的。

（2）在大部分激勵頻率，含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)的聲輻射功率和場點聲壓曲線均大于無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)，最大聲輻射功率增加5.6 dB，場點最大聲壓曲線增加9.35 dB。

（3）當(dāng)激勵頻率位于[0，150]區(qū)間內(nèi)時，含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)聲輻射功率曲線峰值數(shù)量與無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)相差不大；當(dāng)激勵頻率位于（150，500]區(qū)間內(nèi)時，含有焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)聲輻射功率曲線峰值數(shù)量有明顯的增加。

根據(jù)上面的分析可以看出，焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射有較大的影響。

3 結(jié) 論

本文針對焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼水下聲輻射的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，使結(jié)構(gòu)的固有頻率降低，從而改變了結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性。在低頻載荷作用下，焊接殘余應(yīng)力對環(huán)肋圓柱殼聲輻射有明顯的影響，不僅使聲輻射功率曲線和外場聲壓曲線向低頻移動，而且使聲輻射功率和外場聲壓在大部分激勵頻率上均大于無焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

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Influence of welding-induced residual stress on underwater acoustic radiation of ring stiffened cylindrical shell

LI Lei-xin1,2,LIU Yong3,CHEN Lu-yun1
(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China;3.Shanghai Branch,China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011,China)

This paper focuses on the influence of welding residual stress on underwater acoustic radiation of ring stiffened cylindrical shell.The thermal elastic-plastic finite element method is used to simulate ring stiffened cylindrical shell butt welding process and to calculate the three-dimensional welding-induced residual stress and strain field.And the dynamic characteristic of ring stiffened cylindrical shell with residual stress is investigated.Finally,its acoustic radiation is solved by combining direct boundary element method with finite element method.The results show that residual stress has a significant impact on underwater acoustic radiation of ring stiffened cylindrical shell under low frequency excitation.It makes acoustic radiation power and sound pressure curve integrally move toward lower frequency,and makes acoustic radiation power and sound pressure increase at most excitation frequencies comparing with structure without residual stress.

welding-induced residual stress;ring stiffened cylindrical shell;acoustic radiation

O347.3 U661.74

：Adoi：10.3969/j.issn.1007-7294.2016.05.014

1007-7294（2016）05-0628-07

2015-11-28

李磊鑫（1980-），男，博士研究生，E-mail：timeme@163.com；劉 勇（1980-），男，博士，工程師。