#第四章船体焊接中的力学问题

1、第四章 船体焊接中的力学问题 船体是一种典型的大型焊接结构。船体结构复杂、刚性大，船体中各种纵、横构件 相互交叉、 相互连接， 尤其是首尾部分还有不少曲型结构。 这些构件用焊接连接成一体， 使船体成为一个整体结构。一旦某一焊缝或结构中不连续处产生微小裂纹，在应力的作 用下，就会迅速扩展到相邻构件，造成部分结构乃至整个船体发生破坏。另外，焊接应 力导致的焊接变形直接影响船体结构的质量（尤其是船体的薄板上层建筑 ）等。这些都是焊接力学研究的问题。随着包括船体结构在内的焊接结构大型化、 精密化、高参数化和材料多样化的发展， 对船体结构的质量要求也越来越高，从而推动了焊接力学的发展。例如，关于焊接应力

2、 和变形的数值分析研究，目前已发展成为一门新的专门学科“计算焊接力学” 。低应力 无变形焊接技术的开发，对于焊接弹塑性力学过程现象的计算机仿真，预示着焊接应力 和变形是可以精确控制的，不再是不可避免的。同样，在焊接接头断裂力学研究方面也 取得了很大的进展。焊接力学的进展，反过来促进包括船体结构在内的焊接结构建造质 量和安全可靠性的进一步提高。船舶焊接所涉及的力学问题复杂， 目前尚未见针对造船的焊接力学专著。 本章引用 霍立兴编著的焊接结构工程强度 （机械工业出版社 ）；王家麟、侯贤忠主编的球形 储罐焊接工程技术 （机械工业出版社 ）和孙志雄编的焊接断裂力学 （西北工业大学出 版社）等书的内容，

3、结合船舶建造的实际进行编写，读者若想对所涉及的问题深入了解， 可阅读上述书籍。4.1 结构焊接力学行为4.1.1 焊接接头类型在焊接结构中可采用不同形式的焊接接头。具体地说，对接接头、 T 型接头、角接头和搭接接头是焊接接头的基本类型。在不同的结构标准中，对不同接头形式均有具体 规定，本节所引用的是其通用形式。对接接头：不同板厚的对接接头如图 4.1 所示 .薄板对接接头 （B 3mm）可采用卷边 接头或采用不开坡口单面焊缝 （B20 次 min，其工作应力s /3 ，N f104 107次，疲劳裂纹扩展速率 da dN10 -2mm 次。高周疲劳情况下 所考虑的，是经过数万至数百万次以上的载

4、荷循环应力作用以后材料的持久极限，它相 当于焊接结构某些部位承受快速的反复载荷的情况。低周疲劳又简称应变疲劳。低周疲劳的构件所受的载荷频率 f（或 n）10 次 min 20 次 min，其工作应力s ，N f10 4 次，疲劳裂纹扩展速率 da dN 10-2mm 次。低周疲劳情况下所考虑的，是经过小于一万次的载荷循环应力作用以后的疲劳断裂。例 如，船体结构、高压容器以及飞机起落架的裂纹和断裂，是由低周疲劳所引起的。3疲劳强度通过试验建立的等幅循环应力 S 和疲劳破坏时循环次数 N 之间的关系如下式所示： NSm C（4.4.1）图 4.83 为 S N 疲劳曲线。 在双对数坐标图上 lgS

5、 lgN 为一直线， 如图 4.84 所示。 则式 （4.4.1）为：lgN B 一 mlgS图 4.83 SN 曲线图 4.84 S N 曲线的对数坐标表示法当 N 增至无穷大时， 疲劳曲线趋向于渐进水平线， 此时的应力称为疲劳极限， 也称 为无限疲劳强度， 任意循环次数的应力称为有限寿命疲劳强度，可以通过式 （4.4.2） 求得。试验表明，在 S-N 疲劳曲线图上， 疲劳试验数据分布在一离散带内。 在某一应力水平时， 疲劳破坏的寿命呈正态分布，对有效试验数据进行回归分析，可求出某个成活概率的 S-N 曲线。对于一般的焊接结构，其成活概率取97.7；对特殊重要的结构，成活概率取 99.99

6、。在疲劳设计方法中，所谓容许应力设计法是把各种构件和接头的实验疲劳 强度除以一个特殊安全系数作为容许应力（如疲劳极限、非破坏概率 95的 2106 次的疲劳强度等 ），使实际载荷引起的应力最大值不超过其容许应力，从而确定构件断面尺 寸的设汁方法。 还有以不产生疲劳裂纹为条件的将疲劳裂纹发生寿命作为设计寿命的疲 劳寿命设计方法，也属于容许应力设计法。4.4.2 船体焊接结构的疲劳寿命评估 垂作用。对于船体结构来说，材质利制造工艺会给结构带来不可避免的缺陷。因此，甚 至在比材料的屈服强度低得多的周期性外载作用时，这些缺陷将成为裂纹源，以后，裂 纹源将作为疲劳裂纹在母材、焊缝和热影响区任一区域中传播

7、扩展，最终导致结构发生 破坏。人们往往对脆性断裂非常重视，从而设法提高材料的韧性，但往往忽视了脆性断 裂的发生是以疲劳裂纹扩展为先导的。为了对疲劳裂纹的形成和扩展进行控制，现代诲 洋焊接结构的疲劳设计已越来越重要。船舶要经受海浪的拍打等周期性外载的作用，大型船舶还要经受海上波浪的中拱中在此应当指出，对于船舶及其他海洋结构物这样的大型焊接结构来说，容易发生危 害性很大的低周疲劳。船舶在服役中由其结构特点 （结构不连续、角焊缝等 ），虽然整体 上尚处在弹性变形范围，但应力集中部位已进入塑性变形状态，容易导致应变疲劳（低周疲劳 ）。低周疲劳严重地威胁着船舶的安全。国外有人对第二次世界大战后建造的部

8、分船舶的低周疲劳断裂事故做过调查，据统计，在外壳板和甲板破裂的 66 艘油船中， 有 65 艘是由疲劳引起的，而外壳板和甲板破裂的 55 艘货船中，有 53 艘也是由疲劳所 致。由此可见，研究船体结构的低周疲劳特性是十分必要的。传统的疲劳设计基础是依据材料 S-N 疲劳曲线进行所谓容许应力设计等。 然而， 这 是不够的。因为焊接结构不可避免要存在缺陷（裂纹 ），所以首先研究缺陷 （裂纹 ）扩展寿命控制规律，必须进行疲劳的断裂力学分析，并将这种分析结果用于结构设计和结构寿 命估算。断裂力学方法是把引起裂纹扩展的裂纹前沿的应力处理成应力强度因子 K ，而 计人裂纹尺寸、形状和方向对 K 值起主要作用。由 K 实验确定的临界应力强度因子 K c 和依据变载荷循环引起的疲劳裂纹扩展速率 （da/dN） ，可以帮助我们估计疲劳裂纹扩展寿 命。众所周知，疲劳全寿命包括裂纹起裂寿命（Ni） 和裂纹扩展 （到裂纹临界尺寸 ）的寿命（ N ） ，即Nt N i N 这两者的分界线和裂纹初始尺寸的定义有关， 从裂纹