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《船舶力學雜志》2016年第Z1期

摘要：

焊接殘余變形對深海耐壓環肋圓柱殼結構的穩定性是否有影響是個非常值得關注的問題。文章對深海耐壓環肋圓柱殼結構的焊接殘余變形和殘余應力進行了分析，并進行了相關試驗數據驗證。由于耐壓結構殼體和肋骨的焊接殘余應力相對偏小，然后著重研究殘余變形對深海耐壓環肋圓柱殼結構的穩定性和極限承載能力的影響。結果表明：焊接殘余變形對耐壓艙段結構的穩定性和極限承載能力影響不大；疊加有初始焊接變形的結構肋骨失穩波形較少；計算結果更偏于工程實際。

關鍵詞：

焊接；殘余變形；耐壓環肋圓柱殼；穩定性

為了提高水下耐壓圓柱殼結構的穩定性，殼體按一定間距布置了環向肋骨。隨著耐壓環肋圓柱殼下潛深度的增加，結構承受的外壓力也不斷增大，因此目前深海耐壓結構通常采用高強度鋼來建造。由于高強度鋼在屈服強度提高的同時，其塑性特性和韌性指標均相對下降，所以高強度鋼結構對于初始缺陷，建造工藝，局部應力集中和變形的敏感程度都相對增加。在建造過程中，環向肋骨與耐壓圓柱殼體采用焊接形式連接，大量的焊接工藝操作及由此帶來的焊接殘余應力和殘余變形，特別是殘余變形是否會給深海耐壓結構的穩定性和極限強度造成影響，是非常值得關注的問題。

國外學者曾對殘余應力影響耐壓殼的屈曲和穩定性做了一些研究。Hübner等人[1]用數值方法研究了殘余應力對筒形焊接結構臨界屈曲載荷的影響。Lars等人[2]用有限元與試驗相結合的方法，對焊接殘余應力影響HY-80高強度鋼球殼結構的屈曲行為做了研究。Graham[3]用有限元方法模擬了在有冷彎加工殘余應力情況下環肋加強圓柱殼結構在靜水載荷作用下的失穩行為。上述文獻得到殘余應力對結構穩定性影響較少的相關結論。文獻[3]認為殘余應力和變形對結構穩定的影響作用在6﹪以內。而國內對焊接殘余應力及變形影響耐壓圓柱殼穩定性及極限承載能力的研究文獻較少。綜上所述，雖然相關文獻對殘余應力影響圓柱殼體或球殼的穩定性進行過一些研究，但是對焊接殘余應力和變形對高強度鋼中厚板耐壓環肋圓柱結構穩定性和極限承載能力影響的研究較少。因此本文研究了考慮焊接初始殘余變形及殘余應力影響的深海耐壓環肋圓柱結構穩定性及極限承載力。

1研究步驟

首先建立深海耐壓環肋圓柱殼結構焊接模型，輸入焊接工藝、材料隨溫度變化的應力應變特性等相關信息，進行焊接殘余應力及變形分析；然后將相關計算結果與試驗數據進行對比研究，以驗證焊接殘余應力的可靠性；在計算結果與試驗數據相一致的結果上，最后建立深海耐壓環肋圓柱殼結構模型，將上一步計算的應力及變形結果輸入此模型，進行深海耐壓環肋圓柱殼結構穩定性及極限承載能力分析。從而最終得到焊接殘余應力及變形對深海耐壓環肋圓柱殼結構穩定性及極限承載能力影響。研究流程及步驟如圖1所示。

2深海耐壓環肋圓柱殼結構焊接殘余應力及變形有限元分析

深海耐壓環肋圓柱殼結構（圖4）半徑R為3500mm，殼體厚度t為35mm，肋間距l為544mm。由于結構的對稱性，取結構的1/8進行焊接模型建模，在不影響計算精度的前提下，寬度取一個肋距長度[4]。幾何模型和有限元網格模型如圖2所示，焊縫及附近網格劃分得比較密集。深海耐壓結構材料為某高強度鋼，彈性模量E=2.0×105MPa，屈服極限σs=785.0MPa，泊松比μ=0.3。工藝參數根據實際情況進行選取，焊接速度為40mm/min，對流放熱系數為62.5W/（m2•℃）；運用生死單元技術模擬多道焊過程及內生熱的加載方式模擬焊接熱源，并采用ANSYS的APDL語言編制焊接殘余應力和變形的計算程序[4]。焊接時沒有剛體位移產生。通過計算，殼體最大焊接變形約為2mm左右（圖3），位置在肋骨與殼體相連接的部位；內殼軸向殘余拉應力呈雙峰形態，最大值為65MPa左右。這與文獻[5]中針對水下帶環向肋骨耐壓殼進行研究的理論分析和試驗統計結果相符合。

3焊接殘余變形及殘余應力對耐壓環肋圓柱殼穩定性和極限承載力的影響

3.1深海耐壓環肋圓柱殼結構穩定性和極限承載能力有限元分析（1）幾何模型的建立在ANSYS中建立深海耐壓環肋圓柱殼結構有限元模型：周向1/4圓周上等分殼體30份即3°/格，軸向將兩檔肋骨間的殼體等分為6份，肋骨腹板等分為3份，肋骨面板劃分為2個單元。幾何和有限元模型見圖4和圖5。選用SHELL181單元。SHELL181單元適用于薄到中等厚度的殼結構，該單元有四個節點，每個節點有六個自由度，分別為沿節點X，Y，Z方向的平動及繞節點X，Y，Z軸的轉動。（2）初始缺陷的描述以施加單位載荷的方式得到結構的特征值屈曲模態，再將屈曲模態以給定的幅值加入原結構中生成新的模型，就構成了帶有特征值屈曲模態為缺陷形式的初始缺陷的模型。在一端固定，另一端允許軸向位移、殼體兩端各加一個肋位剛性過渡的約束形式下[7]，對該模型施加單位水壓力和相應的軸向壓力，進行彈性屈曲分析，得到的特征值屈曲極限載荷為17.126MPa，周向失穩波數為24。該模型的特征值屈曲模態見圖6。②結構穩定性和塑性極限承載能力考慮材料塑性的影響，對模型進行分析，結構發生殼板失穩，肋骨平面外扭曲，其塑性極限載荷為10.144MPa。極限狀態等效應力見圖7；達到極限載荷時結構殼板和肋骨的應力分布均勻，但肋骨變形較大。圖8為耐壓環肋圓柱殼在極限承載力作用時沿軸向的位移圖。從圖8中可看出，由于軸向壓力的作用，端部最大軸向位移為7.24mm。

3.2考慮焊接殘余應力及變形的深海耐壓環肋圓柱殼結構穩定性和極限承載能力分析由本文第2章的深海耐壓環肋圓柱殼結構焊接殘余應力及變形有限元分析可知，深海耐壓環肋圓柱殼體和肋骨的焊接殘余應力相對偏小，所以本文重點研究焊接殘余變形對耐壓環肋圓柱殼穩定性和極限承載能力的影響。由于計算出的殼體最大焊接變形約為2mm左右，而殼板厚度t為35mm，所以取初始缺陷0.15t（5.25mm）～0.25t（8.75mm），并將肋骨焊接后的變形計及模型，對后續的耐壓環肋圓柱殼結構進行穩定性和極限承載能力研究。模型計算結果見表1，其中ω0為缺陷幅值，單位為mm，t單位為mm，Pcr為結構的極限承載力，單位為MPa。從表1可看出，缺陷幅值對模型的塑性極限承載能力的影響不大。圖9和圖10是缺陷值為0.25t時的特征值屈曲模態和塑性極限承載力等效應力圖。其周向失穩波數為12，比未加入肋骨焊接初始殘余變形時的失穩波數24少一半。這是由于肋骨本身存在焊接變形，可抵消一部分變形。所以，計及肋骨焊接變形的耐壓環肋結構塑性極限承載能力和穩定性計算結果更偏于工程實際。

3.3有無焊接殘余變形對結構穩定性和極限承載力的影響從上面的計算和分析中可得出以下結論：（1）焊接殘余變形對耐壓環肋圓柱結構的穩定性和極限承載能力影響不大；（2）在模型中計及肋骨焊接變形的影響，疊加有初始焊接變形的結構肋骨失穩波形較少，這是由于肋骨本身存在焊接變形，可抵消一部分結構變形。（3）考慮了焊接殘余變形后的計算結果更偏于工程實際。

4結論

深海耐壓環肋圓柱殼的耐壓殼板與肋骨焊接所引起的殼板焊接殘余變形的幅值小于現行“潛規”的允許值，且焊接殘余變形和焊接殘余應力對艙段結構的極限承載能力影響不大；并且疊加有初始焊接變形的結構肋骨失穩波形較少；考慮了焊接初始變形后的計算結果更偏于工程實際。

作者：李良碧 萬正權 單位：江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院 江蘇現代造船 中國船舶科學研究中心