基于有限元分析的船体结构焊脚高度的确定方法

摘要

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。

主权项

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)；${\tau }_f\le f_f^w.---\left(1\right)$${\sigma }_f\le {\beta }_f{f}_f^w.---\left(2\right)$$\sqrt{{\left(\frac{{\sigma }_f}{{\beta }_f}\right)}^2+{\tau }_f^2}\le f_f^w.---\left(3\right)$式(1)、(2)、(3)中：τ_f为平均剪应力，为焊缝强度设计值，σ_f为有效截面上平均应力，β_f为正面角焊缝强度设计值增大系数；根据焊缝的部位选取合适的计算模型，不同的计算模型有不同校核准则，故提取焊缝应力的类型也不同；计算模型①、③、⑥中需提取立板的剪应力；计算模型⑤、⑦需提取立板的正应力；计算模型②、④中需提取立板的剪应力与面板的正应力；步骤2，确定舱段有限元模型的板单元剪应力与焊缝平均剪应力之间的关系；建立了若干尺寸梁的有限元模型，比较800×800mm单元的有限元计算结果与焊缝强度计算公式结果之间的比例关系，约为1.1；步骤3，提出船体结构焊缝强度的应力标准；通常的焊缝强度许用值是根据建筑结构规范确定的，不能直接应用于船舶结构的有限元计算；二者存在两个差别：一是载荷与强度的体系不同；二是计算模型也不同，一个是基于近似的焊缝平均应力公式，一个是基于结构的有限元计算；通过类比，使得船舶结构中焊缝的强度标准随同构件的强度标准变化，得出船舶中各个构件的焊缝许用应力；步骤4，计算和统计焊接系数利用因子，确定其分布函数；4.1用步骤1所提供的计算模型，根据焊缝所处的部位提取出实船舱段有限元模型中所需的板应力；依据假设焊接系数和步骤2中的比例关系将板应力换算为焊缝应力，通过步骤3得到焊缝许用应力；4.2计算焊接系数利用因子；将焊缝应力、焊缝许用应力代入下式(4)即可计算焊接系数利用因子的数值；4.3利用Microsoft Excel中的插入图表功能形成贡贝尔概率纸，对焊接系数的利用因子样本进行贡贝尔Ⅰ型分布检验；4.4根据已形成的极值概率纸，确定贡贝尔Ⅰ型尔分布函数的参数B、C，代入下式(5)，即可得贡贝尔Ⅰ型分布函数；p(x)＝exp(‑exp(‑B(x‑C))) ‑∞＜x＜+∞  (5)若对焊接系数利用因子样本乘以系数k，即可得到新的分布函数，如下式(6)；$\begin{array}{cc}p\left(x\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}\left(x-kC\right)\left)\right)& -\infty <x<+\infty \end{array}---\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_{\alpha }\right)=p\left(1\right)=\exp (-\exp (-\frac{B}{k}\left(1-kC\right)\left)\right)$5.2根据利用因子的改变系数k，代入下式(7)计算焊接系数f_weld；$f_{weld}=\frac{1}{k}{f}_{weld1}+(\frac{1}{k}-1)\frac{2}{0.8t_{p-grs}}---\left(7\right)$式(7)中：f_weld1为假设焊接系数，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。