焊接残余变形对耐压环肋圆柱壳的影响范文

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《船舶力学杂志》2016年第Z1期

摘要：

焊接残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性是否有影响是个非常值得关注的问题。文章对深海耐压环肋圆柱壳结构的焊接残余变形和残余应力进行了分析，并进行了相关试验数据验证。由于耐压结构壳体和肋骨的焊接残余应力相对偏小，然后着重研究残余变形对深海耐压环肋圆柱壳结构的稳定性和极限承载能力的影响。结果表明：焊接残余变形对耐压舱段结构的稳定性和极限承载能力影响不大；叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少；计算结果更偏于工程实际。

关键词：

焊接；残余变形；耐压环肋圆柱壳；稳定性

为了提高水下耐压圆柱壳结构的稳定性，壳体按一定间距布置了环向肋骨。随着耐压环肋圆柱壳下潜深度的增加，结构承受的外压力也不断增大，因此目前深海耐压结构通常采用高强度钢来建造。由于高强度钢在屈服强度提高的同时，其塑性特性和韧性指标均相对下降，所以高强度钢结构对于初始缺陷，建造工艺，局部应力集中和变形的敏感程度都相对增加。在建造过程中，环向肋骨与耐压圆柱壳体采用焊接形式连接，大量的焊接工艺操作及由此带来的焊接残余应力和残余变形，特别是残余变形是否会给深海耐压结构的稳定性和极限强度造成影响，是非常值得关注的问题。

国外学者曾对残余应力影响耐压壳的屈曲和稳定性做了一些研究。Hübner等人[1]用数值方法研究了残余应力对筒形焊接结构临界屈曲载荷的影响。Lars等人[2]用有限元与试验相结合的方法，对焊接残余应力影响HY-80高强度钢球壳结构的屈曲行为做了研究。Graham[3]用有限元方法模拟了在有冷弯加工残余应力情况下环肋加强圆柱壳结构在静水载荷作用下的失稳行为。上述文献得到残余应力对结构稳定性影响较少的相关结论。文献[3]认为残余应力和变形对结构稳定的影响作用在6﹪以内。而国内对焊接残余应力及变形影响耐压圆柱壳稳定性及极限承载能力的研究文献较少。综上所述，虽然相关文献对残余应力影响圆柱壳体或球壳的稳定性进行过一些研究，但是对焊接残余应力和变形对高强度钢中厚板耐压环肋圆柱结构稳定性和极限承载能力影响的研究较少。因此本文研究了考虑焊接初始残余变形及残余应力影响的深海耐压环肋圆柱结构稳定性及极限承载力。

1研究步骤

首先建立深海耐压环肋圆柱壳结构焊接模型，输入焊接工艺、材料随温度变化的应力应变特性等相关信息，进行焊接残余应力及变形分析；然后将相关计算结果与试验数据进行对比研究，以验证焊接残余应力的可靠性；在计算结果与试验数据相一致的结果上，最后建立深海耐压环肋圆柱壳结构模型，将上一步计算的应力及变形结果输入此模型，进行深海耐压环肋圆柱壳结构稳定性及极限承载能力分析。从而最终得到焊接残余应力及变形对深海耐压环肋圆柱壳结构稳定性及极限承载能力影响。研究流程及步骤如图1所示。

2深海耐压环肋圆柱壳结构焊接残余应力及变形有限元分析

深海耐压环肋圆柱壳结构（图4）半径R为3500mm，壳体厚度t为35mm，肋间距l为544mm。由于结构的对称性，取结构的1/8进行焊接模型建模，在不影响计算精度的前提下，宽度取一个肋距长度[4]。几何模型和有限元网格模型如图2所示，焊缝及附近网格划分得比较密集。深海耐压结构材料为某高强度钢，弹性模量E=2.0×105MPa，屈服极限σs=785.0MPa，泊松比μ=0.3。工艺参数根据实际情况进行选取，焊接速度为40mm/min，对流放热系数为62.5W/（m2•℃）；运用生死单元技术模拟多道焊过程及内生热的加载方式模拟焊接热源，并采用ANSYS的APDL语言编制焊接残余应力和变形的计算程序[4]。焊接时没有刚体位移产生。通过计算，壳体最大焊接变形约为2mm左右（图3），位置在肋骨与壳体相连接的部位；内壳轴向残余拉应力呈双峰形态，最大值为65MPa左右。这与文献[5]中针对水下带环向肋骨耐压壳进行研究的理论分析和试验统计结果相符合。

3焊接残余变形及残余应力对耐压环肋圆柱壳稳定性和极限承载力的影响

3.1深海耐压环肋圆柱壳结构稳定性和极限承载能力有限元分析（1）几何模型的建立在ANSYS中建立深海耐压环肋圆柱壳结构有限元模型：周向1/4圆周上等分壳体30份即3°/格，轴向将两档肋骨间的壳体等分为6份，肋骨腹板等分为3份，肋骨面板划分为2个单元。几何和有限元模型见图4和图5。选用SHELL181单元。SHELL181单元适用于薄到中等厚度的壳结构，该单元有四个节点，每个节点有六个自由度，分别为沿节点X，Y，Z方向的平动及绕节点X，Y，Z轴的转动。（2）初始缺陷的描述以施加单位载荷的方式得到结构的特征值屈曲模态，再将屈曲模态以给定的幅值加入原结构中生成新的模型，就构成了带有特征值屈曲模态为缺陷形式的初始缺陷的模型。在一端固定，另一端允许轴向位移、壳体两端各加一个肋位刚性过渡的约束形式下[7]，对该模型施加单位水压力和相应的轴向压力，进行弹性屈曲分析，得到的特征值屈曲极限载荷为17.126MPa，周向失稳波数为24。该模型的特征值屈曲模态见图6。②结构稳定性和塑性极限承载能力考虑材料塑性的影响，对模型进行分析，结构发生壳板失稳，肋骨平面外扭曲，其塑性极限载荷为10.144MPa。极限状态等效应力见图7；达到极限载荷时结构壳板和肋骨的应力分布均匀，但肋骨变形较大。图8为耐压环肋圆柱壳在极限承载力作用时沿轴向的位移图。从图8中可看出，由于轴向压力的作用，端部最大轴向位移为7.24mm。

3.2考虑焊接残余应力及变形的深海耐压环肋圆柱壳结构稳定性和极限承载能力分析由本文第2章的深海耐压环肋圆柱壳结构焊接残余应力及变形有限元分析可知，深海耐压环肋圆柱壳体和肋骨的焊接残余应力相对偏小，所以本文重点研究焊接残余变形对耐压环肋圆柱壳稳定性和极限承载能力的影响。由于计算出的壳体最大焊接变形约为2mm左右，而壳板厚度t为35mm，所以取初始缺陷0.15t（5.25mm）～0.25t（8.75mm），并将肋骨焊接后的变形计及模型，对后续的耐压环肋圆柱壳结构进行稳定性和极限承载能力研究。模型计算结果见表1，其中ω0为缺陷幅值，单位为mm，t单位为mm，Pcr为结构的极限承载力，单位为MPa。从表1可看出，缺陷幅值对模型的塑性极限承载能力的影响不大。图9和图10是缺陷值为0.25t时的特征值屈曲模态和塑性极限承载力等效应力图。其周向失稳波数为12，比未加入肋骨焊接初始残余变形时的失稳波数24少一半。这是由于肋骨本身存在焊接变形，可抵消一部分变形。所以，计及肋骨焊接变形的耐压环肋结构塑性极限承载能力和稳定性计算结果更偏于工程实际。

3.3有无焊接残余变形对结构稳定性和极限承载力的影响从上面的计算和分析中可得出以下结论：（1）焊接残余变形对耐压环肋圆柱结构的稳定性和极限承载能力影响不大；（2）在模型中计及肋骨焊接变形的影响，叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少，这是由于肋骨本身存在焊接变形，可抵消一部分结构变形。（3）考虑了焊接残余变形后的计算结果更偏于工程实际。

4结论

深海耐压环肋圆柱壳的耐压壳板与肋骨焊接所引起的壳板焊接残余变形的幅值小于现行“潜规”的允许值，且焊接残余变形和焊接残余应力对舱段结构的极限承载能力影响不大；并且叠加有初始焊接变形的结构肋骨失稳波形较少；考虑了焊接初始变形后的计算结果更偏于工程实际。

作者：李良碧 万正权 单位：江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 江苏现代造船 中国船舶科学研究中心