CN104050357A - 基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法 - Google Patents

Abstract

基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，包括如下五个步骤：步骤1，构建船舶结构角焊缝应力的计算模型，提出一种从舱段有限元模型中提取焊缝应力的方法；步骤2，确定舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系；步骤3，提出船体结构焊缝强度的应力标准；步骤4，计算和统计焊接系数利用因子，确定其分布函数；步骤5，由焊接系数利用因子保证率和设计极值量，确定焊接系数f_weld，计算焊脚高度。

Description

基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法

技术领域

本发明涉及船舶与海洋结构物角焊缝强度的安全性，为确定船舶与海洋结构物的焊脚高度提供了一整套方法。

背景技术

角焊缝是船体结构最常见的焊缝形式中，约占焊缝的80-90％。焊缝尺寸的大小对结构的造价、工时产生很大的影响。

角焊缝具有传递力、力矩、扭矩等作用。由于船体结构的复杂与承受荷载的多样性，船体结构角焊缝应力的计算极其复杂。焊接系数是为方便设计者进行焊缝设计而提出的，其中不仅融合了大量的结构受力分析，而且包含着试验以及数据统计的经验，经过多年的演变而成，至今尚未形成一种确定船舶与海洋结构物焊脚高度的有效的理论方法。在新型船舶与海洋结构物设计建造时，如何确定安全且经济的焊脚高度，成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一套完整的船体结构焊脚高度的确定方法。采用这种方法，可以验证现行规范焊脚高度的安全性以及优化焊接系数规格表，确定新型船舶与海洋结构物的焊脚高度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，包括如下五个步骤：

步骤1，构建船舶结构角焊缝应力的计算模型，提出一种从舱段有限元模型中提取焊缝应力的方法；

针对船舶结构角焊缝的受力特点，提出以下七个计算模型：①扶强材与带板的焊缝计算模型；②扶强材端部的焊缝计算模型；③主要支撑构件与外板的焊缝计算模型；④主要支撑构件之间的焊缝计算模型；⑤平面板材或平面舱壁周界的焊缝计算模型；⑥船体梁计算模型；⑦支柱等以拉应力为主的焊缝计算模型；

计算模型①、③、⑥匹配的校核准则为下式(1)，计算模型⑤、⑦匹配的校核准则为下式(2)，计算模型②、④匹配的校核准则为下式(3)；

${\mathrm{\τ}}_f\≤f_f^w.---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_f{\≤\mathrm{\β}}_f{f}_f^w.---\left(2\right)$

$\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_f}{{\mathrm{\β}}_f}\right)}^2+{\mathrm{\τ}}_f^2}\≤f_f^w.---\left(3\right)$

式(1)、(2)、(3)中：τ_f为平均剪应力，为焊缝强度设计值，σ_f为有效截面上平均应力，β_f为正面角焊缝强度设计值增大系数；

根据焊缝的部位选取合适的计算模型，不同的计算模型有不同校核准则，故提取焊缝应力的类型也不同。计算模型①、③、⑥中需提取立板的剪应力；计算模型⑤、⑦需提取立板的正应力；计算模型②、④中需提取立板的剪应力与面板的正应力；

步骤2，确定舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系；

建立了若干尺寸梁的有限元模型，比较800×800mm单元的有限元计算结果与焊缝强度计算公式结果之间的比例关系，约为1.1；

步骤3，提出船体结构焊缝强度的应力标准；

通常的焊缝强度许用值是根据建筑结构规范确定的，不能直接应用于船舶结构的有限元计算；二者存在两个差别：一是载荷与强度的体系不同；二是计算模型也不同，一个是基于近似的焊缝平均应力公式，一个是基于结构的有限元计算；

通过类比，使得船舶结构中焊缝的强度标准随同构件(母材)的强度标准变化，得出船舶中各个构件的焊缝许用应力；

步骤4，计算和统计焊接系数利用因子，确定其分布函数；

4.1用步骤1所提供的计算模型，根据焊缝所处的部位提取出实船舱段有限元模型中所需的板应力。依据假设焊接系数和步骤2中的比例关系将板应力换算为焊缝应力，通过步骤3得到焊缝许用应力；

4.2计算焊接系数利用因子；

将焊缝应力、焊缝许用应力代入下式(4)即可计算焊接系数利用因子的数值；

4.3利用Microsoft Excel中的插入图表功能形成贡贝尔概率纸，对焊接系数的利用因子样本进行贡贝尔Ⅰ型分布检验；

4.4根据已形成的极值概率纸，确定贡贝尔Ⅰ型尔分布函数的参数B、C，代入下式(5)，即可得贡贝尔Ⅰ型分布函数；

p(x)＝exp(-exp(-B(x-C)))  -∞＜x＜+∞ (5)

若对焊接系数利用因子样本乘以系数k，即可得到新的分布函数，如下式(6)；

$p\left(x\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(x-\mathrm{kC}))),-\&infin;<x<+\&infin;---\left(6\right)$

步骤5，由焊接系数利用因子保证率和设计极值量，确定焊接系数f_weld，计算焊脚高度；

5.1设定保证率p(x_α)，令设计极值x_α＝1，代入上式(6)可计算出系数k；

$p\left(x_a\right)=p\left(1\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(1-\mathrm{kC})))$

5.2根据利用因子的改变系数k，代入下式(7)计算焊接系数f_weld；

$f_{\mathrm{weld}}=\frac{1}{k}{f}_{\mathrm{weld}1}+(\frac{1}{k}-1)\frac{2}{0.8t_{p-\mathrm{grs}}}---\left(7\right)$

式(7)中：f_weld1为假设焊接系数(分布函数随假设的数值变化)，t_p-grs为立板建造厚度。

5.3通过焊接系数f_weld，代入下式(8)计算焊脚高度l_leg；

l_leg＝f_ydf_weldt_p-grs+2 (8)

式(8)中：f_yd为考虑焊缝熔敷金属屈服强度的修正因数。

前述的基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，步骤1中提出的七种计算模型，根据焊缝的受力特点选取相应的计算模型，进而确定从舱段有限元模型中提取应力的方法。

前述的基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，步骤2通过建立若干尺寸梁的有限元模型，比较舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力，获得两者之间的换算关系为1.1。

前述的基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，步骤3通过类比，使得船舶结构中焊缝的强度标准随同构件(母材)的强度标准变化，得出各个构件的焊缝强度设计值。

前述的基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，步骤4中利用贡贝尔概率纸对焊接系数的利用因子样本进行贡贝尔Ⅰ型分布检验，并确定其分布函数。

前述的基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，步骤5中由设定的保证率与设计极值量确定系数k，计算焊接系数。

本发明的优点是：基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，完整地阐述了焊脚高度的确定方法。给出了焊缝应力提取方法，焊缝应力标准和通过利用因子分布函数外推计算焊接系数，进而确定焊脚高度的思路。为确定新型船舶与海洋结构物的焊脚高度，制定相应规范提供了有力的手段。

附图说明

图1为本发明的计算船体结构焊脚高度流程示意图；

图2为本发明的简支梁有限元模型及梁端剪应力云图；

图3为本发明的实船舱段模型示意图；

图4为本发明的靠近肋板对内底板焊缝处立板单元的剪应力分布图；

图5为本发明的肋板对内底板处焊接系数利用因子分布图；

图6为本发明的肋板对内底板处焊接系数利用因子贡贝尔Ⅰ型分布检验图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，包括如下五个步骤：

步骤(一)、构建船舶结构角焊缝应力的计算模型，提出一种从舱段有限元模型中提取焊缝应力的方法

针对船舶结构角焊缝的受力特点，提出以下七个计算模型：①扶强材与带板的焊缝计算模型；②扶强材端部的焊缝计算模型；③主要支撑构件与外板的焊缝计算模型；④主要支撑构件之间的焊缝计算模型；⑤平面板材或平面舱壁周界的焊缝计算模型；⑥船体梁计算模型；⑦支柱等以拉应力为主的焊缝计算模型。

计算模型①、③、⑥匹配的校核准则为下式(1)，计算模型⑤、⑦匹配的校核准则为下式(2)，计算模型②、④匹配的校核准则为下式(3)。

${\mathrm{\&tau;}}_f\&le;f_f^w.---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_f{\&le;\mathrm{\&beta;}}_f{f}_f^w.---\left(2\right)$

$\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_f}{{\mathrm{\&beta;}}_f}\right)}^2+{\mathrm{\&tau;}}_f^2}\&le;f_f^w.---\left(3\right)$

式(1)、(2)、(3)中：τ_f为平均剪应力，为焊缝强度设计值，σ_f为有效截面上平均应力，β_f为正面角焊缝强度设计值增大系数。

根据焊缝的部位选取合适的计算模型，不同的计算模型有不同校核准则，故提取焊缝应力的类型也不同。计算模型①、③、⑥中需提取立板的剪应力；计算模型⑤、⑦需提取立板的正应力；计算模型②、④中需提取立板的剪应力与面板的正应力。

步骤(二)、确定舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系

建立了若干尺寸梁的有限元模型，如附图2所示，比较800×800mm左右单元的有限元计算结果与焊缝强度计算公式结果之间的比例关系，约为1.1。

步骤(三)、提出船体结构焊缝强度的应力标准

通常的焊缝强度许用值是根据建筑结构规范确定的，不能直接应用于船舶结构的有限元计算。二者存在两个差别：一是载荷与强度的体系不同；二是计算模型也不同，一个是基于近似的焊缝平均应力公式，一个是基于结构的有限元计算。

通过类比，使得船舶结构中焊缝的强度标准随同构件(母材)的强度标准变化，得出船舶中各个构件的焊缝许用应力。

步骤(四)、计算和统计焊接系数利用因子，确定其分布函数

(1)如附图3所示，利用步骤(一)所提供的计算模型，根据焊缝所处的部位提取出实船舱段有限元模型中所需的板应力。依据假设焊接系数和步骤(二)中的比例关系将板应力换算为焊缝应力，通过步骤(三)得到焊缝许用应力；

(2)计算焊接系数利用因子；

将焊缝应力、焊缝许用应力代入下式(4)即可计算焊接系数利用因子的数值。

(3)利用Microsoft Excel中的插入图表功能形成贡贝尔概率纸，对焊接系数的利用因子样本进行贡贝尔Ⅰ型分布检验；

(4)根据已形成的极值概率纸，确定贡贝尔Ⅰ型尔分布函数的参数B、C，代入下式(5)，即可得贡贝尔Ⅰ型分布函数；

p(x)＝exp(-exp(-B(x-C)))  -∞＜x＜+∞ (5)

若对焊接系数利用因子样本乘以系数k，即可得到新的分布函数，如下式(6)。

$p\left(x\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(x-\mathrm{kC}))),-\&infin;<x<+\&infin;---\left(6\right)$

步骤(五)、由焊接系数利用因子保证率和设计极值量，确定焊接系数f_weld，计算焊脚高度

(1)设定保证率p(x_α)，令设计极值x_α＝1，代入上式(6)可计算出系数k；

$p\left(x_a\right)=p\left(1\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(1-\mathrm{kC})))$

(2)根据利用因子的改变系数k，代入下式(7)计算焊接系数f_weld；

$f_{\mathrm{weld}}=\frac{1}{k}{f}_{\mathrm{weld}1}+(\frac{1}{k}-1)\frac{2}{0.8t_{p-\mathrm{grs}}}---\left(7\right)$

式(7)中：f_weld1为假设焊接系数(分布函数随假设的数值变化)，t_p-grs为立板建造厚度。

(3)通过焊接系数f_weld，代入下式(8)计算焊脚高度l_leg。

l_leg＝f_ydf_weldt_p-grs+2 (8)

式(8)中：f_yd为考虑焊缝熔敷金属屈服强度的修正因数。

实例：计算肋板对内底板处焊脚高度

第一步：构建肋板对内底板处焊缝计算模型

选取计算模型③计算肋板对内底板处焊缝的应力，通过提取实船舱段结构模型中靠近焊缝处肋板单元上的剪应力，如附图4所示为一条实船不同工况下立板单元的剪应力数值。

第二步：确定肋板对内底板处焊缝的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系

由步骤(二)可知，靠近肋板处焊缝的板单元上的剪应力是焊缝平均剪应力的1.1倍。

第三步：提出肋板对内底板处焊缝的应力标准

由步骤(三)计算得，肋板对内底板处焊缝的许用应力为256MPa。

第四步：计算焊接系数利用因子

假设肋板对内底板处焊接系数为0.24，通过公式(4)计算焊接系数利用因子，进行了4艘油船舱段部位的焊接系数利用因子计算。附图5列出一条船的不同工况下，肋板对内底板焊接系数利用因子分布情况。

第五步：统计焊接系数利用因子，确定其分布函数

利用Microsoft Excel中的插入图表功能形成贡贝尔概率纸，检验4艘船的肋板对内底板处焊接系数利用因子的样本是否符合贡贝尔分布。如附图6所示，4艘船的样本服从贡贝尔Ⅰ型分布。根据极值概率纸，计算获得贡贝尔Ⅰ型尔分布参数B＝5.9987、C＝0.2509，故得分贡贝尔Ⅰ型分布函数如下：

p(x)＝exp(-exp(-5.9987(x-0.2509)))  -∞＜x＜+∞

第六步：计算系数k

设定保证率p(1)＝0.95，代入式(6)得，

$p\left(1\right)=\exp (-\exp (-\frac{5.9987}{k}(1-0.2509k)))=0.95$

计算得系数k＝1.34

第七步：计算焊接系数f_weld

假设肋板对内底板处焊接系数f_weld1＝0.24，实船肋板的建造厚度t_p-grs＝20mm，系数k＝1.34，代入式(7)得。

$f_{\mathrm{weld}}=\frac{1}{k}{f}_{\mathrm{weld}1}+(\frac{1}{k}-1)\frac{2}{0.8t_{p-\mathrm{grs}}}=\frac{1}{1.34}\&times;0.24+(\frac{1}{1.34}-1)\&times;\frac{2}{0.8\&times;20}=0.15$

计算得肋板对内底板处焊接系数f_weld＝0.15，故在安全保证率为95％情况下，可推算肋板对内底板处焊接系数为0.15。

第八步：计算焊脚高度l_leg

实船肋板采用AH32型钢材，故f_yd＝0.797，焊接系数f_weld＝0.15，实船肋板的建造厚度t_p-grs＝20mm，代入式(8)计算焊脚高度l_leg得。

l_leg＝0.797×0.15×20+2＝4.4(mm)

故可计算出肋板对内底板处焊脚高度为4.4mm。

实例所述计算方法，已用于确定15艘CSR船舱段部位的骨材对甲板、骨材对内外底板、中桁材对内外底板、肋板对纵桁等焊接系数利用因子，以及特殊部位的焊角高度，获得的良好的效果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法，包括如下五个步骤：

步骤1，构建船舶结构角焊缝应力的计算模型，提出一种从舱段有限元模型中提取焊缝应力的方法；

针对船舶结构角焊缝的受力特点，提出以下七个计算模型：①扶强材与带板的焊缝计算模型；②扶强材端部的焊缝计算模型；③主要支撑构件与外板的焊缝计算模型；④主要支撑构件之间的焊缝计算模型；⑤平面板材或平面舱壁周界的焊缝计算模型；⑥船体梁计算模型；⑦支柱等以拉应力为主的焊缝计算模型；

计算模型①、③、⑥匹配的校核准则为下式(1)，计算模型⑤、⑦匹配的校核准则为下式(2)，计算模型②、④匹配的校核准则为下式(3)。

${\mathrm{\&tau;}}_f\&le;f_f^w.---\left(1\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_f{\&le;\mathrm{\&beta;}}_f{f}_f^w.---\left(2\right)$

$\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_f}{{\mathrm{\&beta;}}_f}\right)}^2+{\mathrm{\&tau;}}_f^2}\&le;f_f^w.---\left(3\right)$

式(1)、(2)、(3)中：τ_f为平均剪应力，为焊缝强度设计值，σ_f为有效截面上平均应力，β_f为正面角焊缝强度设计值增大系数；

根据焊缝的部位选取合适的计算模型，不同的计算模型有不同校核准则，故提取焊缝应力的类型也不同。计算模型①、③、⑥中需提取立板的剪应力；计算模型⑤、⑦需提取立板的正应力；计算模型②、④中需提取立板的剪应力与面板的正应力；

步骤2，确定舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系；

建立了若干尺寸梁的有限元模型，比较800×800mm单元的有限元计算结果与焊缝强度计算公式结果之间的比例关系，约为1.1；

步骤3，提出船体结构焊缝强度的应力标准；

通常的焊缝强度许用值是根据建筑结构规范确定的，不能直接应用于船舶结构的有限元计算；二者存在两个差别：一是载荷与强度的体系不同；二是计算模型也不同，一个是基于近似的焊缝平均应力公式，一个是基于结构的有限元计算；

通过类比，使得船舶结构中焊缝的强度标准随同构件(母材)的强度标准变化，得出船舶中各个构件的焊缝许用应力；

步骤4，计算和统计焊接系数利用因子，确定其分布函数；

4.1用步骤1所提供的计算模型，根据焊缝所处的部位提取出实船舱段有限元模型中所需的板应力。依据假设焊接系数和步骤2中的比例关系将板应力换算为焊缝应力，通过步骤3得到焊缝许用应力；

4.2计算焊接系数利用因子；

将焊缝应力、焊缝许用应力代入下式(4)即可计算焊接系数利用因子的数值；

4.3利用Microsoft Excel中的插入图表功能形成贡贝尔概率纸，对焊接系数的利用因子样本进行贡贝尔Ⅰ型分布检验；

4.4根据已形成的极值概率纸，确定贡贝尔Ⅰ型尔分布函数的参数B、C，代入下式(5)，即可得贡贝尔Ⅰ型分布函数；

p(x)＝exp(-exp(-B(x-C)))  -∞＜x＜+∞ (5)

若对焊接系数利用因子样本乘以系数k，即可得到新的分布函数，如下式(6)；

$p\left(x\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(x-\mathrm{kC}))),-\&infin;<x<+\&infin;---\left(6\right)$

步骤5，由焊接系数利用因子保证率和设计极值量，确定焊接系数f_weld，计算焊脚高度；

5.1设定保证率p(x_α)，令设计极值x_α＝1，代入上式(6)可计算出系数k；

$p\left(x_a\right)=p\left(1\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}(1-\mathrm{kC})))$

5.2根据利用因子的改变系数k，代入下式(7)计算焊接系数fweld；

$f_{\mathrm{weld}}=\frac{1}{k}{f}_{\mathrm{weld}1}+(\frac{1}{k}-1)\frac{2}{0.8t_{p-\mathrm{grs}}}---\left(7\right)$

式(7)中：f_weld1为假设焊接系数(分布函数随假设的数值变化)，t_p-grs为立板建造厚度。

5.3通过焊接系数f_weld，代入下式(8)计算焊脚高度l_leg；

l_leg＝f_ydf_weldt_p-grs+2 (8)

式(8)中：f_yd为考虑焊缝熔敷金属屈服强度的修正因数。