第5期总第156期
船底主要支撑构件焊缝研究
余东方1盛绍鹏1庆升1吴剑国2
(1.中国联合工程公司杭州310000 ; 2.浙江工业大学建筑工程学院杭州310032 )
[摘要]参照钢结构中角焊缝设计方法，得出主要支撑构件角焊缝强度校核准则。通过有限元法与计算模型法求出一艘单 壳散货船船底主要支撑构件焊缝的应力。计算结果表明，CSR-BC规范中此处焊接系数的设置满足强度要求，且两种算法 计算出的焊缝应力数值相近；对验证现行CSR-BC规范焊脚高度的安全性以及优化焊接系数规格表具有一定参考价值。[关键词]角焊缝；有限元法；计算模型法；焊缝强度
[中图分类号]U671.84 [文献标志码]A [文章编号]1001-9855 ( 2015 ) 05-0073-05
Research on weld of primary supporting members of bottom
YU Dong-fang1 SHENG Shao-peng1 QING Sheng1 WU Jian-guo2
(1. China United Engineering Corporation,Hangzhou 310000,China;
2. College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology,
Hangzhou 310032, China)
Abstract: The check criteria for the fillet weld strength of the primary supporting members are obtained according to the design method of the fillet weld in steel structure. The weld stresses of the primary supporting members are calculated for a single hull bulk carrier by the finite element method (FEM) and the calculation model method. The results show that the weld factor in CSR-BC rule could meet the strength requirements, and the two algorithms are similar in the calculated weld stress. It can verify the safety of the weld leg height in CSR-BC rule and provide references for the optimization of the weld factor specification.
Keywords: fillet weld; finite element method (FEM); calculation model method; weld strength
引言
船体装载后，荷载主要通过主要支撑构件进行 传递，故主要支撑构件焊缝的强度对保证船体安全 非常重要。CSR-BC规范中给出船底主要支撑构件 焊缝的计算方法，但如何利用角焊缝强度理论研究 船底主要支撑构件焊缝强度，验证实船的安全性以 及规范是否有优化空间等都有待解答，也是本文的
研究目的。
主要支撑构件焊缝主要分为两类，一类为主要 支撑构件之间的连接焊缝，承受正应力与剪应力共 同作用；一类为主要支撑构件与其带板（如外板、 内底板等）的连接焊缝，主要承受剪应力。国内王 承权等[1]在文献中指明船体每类角焊缝的强度条 件，对联系角焊缝，提出了剪切力学模型，对焊接 系数的力学概念及其在设计中的应用进行分析说
[收稿曰期]2014-12-09 ;[修回日期]2015-03-05
[作者简介]余东方（1989-)，男，硕士，研究方向：船舶结构分析，钢结构设计。
盛绍鹏（1970-),男，工程师，研究方向：钢结构设计，工程力学。庆升（ 1980-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：水力学，工程管理，结构设计。吴剑国（1963-)，男，博士，教授，研究方向：船舶工程复合材料结构力学，结构优化设计，结构可靠性分析，钢结构设计。
明。余东方等[2]x#平面舱壁周界的焊缝提出计算 模型，根据CSR规范，统计某实船的焊缝强度利用 因子统计,验证了规范的安全性。国际ISSC-296[3] 对比10个焊接位置的焊缝尺寸，得出焊缝尺寸取 决于它在船舶的位置（如货舱区与非货舱区），在 构件中的位置（如跨度的中心与两端）或构件的密 性要求（如水密与非水密)。采用有限元方法进行 大量的角焊缝分析，确定角焊缝的最小尺寸，并建 议采用光弹或类似的实验检验数学建模和计算结果 的有效性。
本文基于有限元法，利用角焊缝强度理论研究 船底主要支撑构件焊缝强度，建立主要支撑构件焊 缝强度计算模型。以某艘PANAMAX型单壳散货 船船底结构为例，在不同工况荷载作用下，分别通 过有限元方法和焊缝应力模型计算出主要支撑构件 焊缝的应力，验证当前CSR-BC规范中船底主要支 撑构件的焊缝强度。
2焊缝应力计算方法
散货船的肋板与桁材等主要支撑构件是一种交
叉梁系，并和船底板、内底板及扶强材组成船底板 架。整个板架承受着装载荷载、舷外水压力，并将 它传到支撑周界上[5]〇本文采用有限元方法和计算 模型法，计算一艘散货船主要支撑构件焊缝的应力。
焊缝应力计算方法如下：
桿立x板应力7 #i靜!命M士^I-- 2x〇7等效焊接系数
/ 〇 \\(3)
式中：焊缝一般为双面焊，故需要乘以系数2。
X才受剪焊缝，立板应力I： 一般为焊缝处单元的
面内剪应力；对于双向受力焊缝，立板应力r为合 成应力。详见公式（1 )〇
立板应力r计算值可通过两种算法获得，一种 是通过有限元方法直接从模型中提取，另一种是通 过计算模型法计算获得。
等效焊接系数根据CSR-BC规范换算获得。
1主要支撑构件角焊缝强度校核准则
根据钢结构设计规范中直角角焊缝的强度计
2.1有限元法
有限元法提取立板应力时，建立了若干尺寸梁 的有限元模型。比较临近焊缝处立板单元应力单元 换算出的焊缝应力与焊缝强度计算公式结果之间的
算方法[4]，得出船底主要支撑构件角焊缝的强度 校核准则主要分为以下两类：
V(f
)、2 續 (1)
(2)
比例关系约为1.1。故可以提取临近焊缝处立板单 元应力表征焊缝应力：
(1)
主要支撑构件之间的连接焊缝承受拉伸
载荷，承担着传递全部荷载的作用。采用有限元法 计算此类焊缝应力时，需提取靠近焊缝处面板单元 上的正应力与立板单元上的剪应力进行换算。图1 为肋板对桁材焊缝处的单元应力提取示意图，图1 (a)、图1 (b)中红色单元所示分别为面板单元上 的正应力与立板单元上的剪应力。
(2)
主要支撑构件与带板的连接焊缝以承受
剪应力为主，采用有限元法计算此类焊缝应力时， 仅需提取临近焊缝处立板单元上的剪应力，取法 如图1 (b)所示。
式中：&为平均剪应力；//为焊缝强度设计值（X才 与CCSA配套的焊接材料，//=208 N/mm2 ;对与
AH32、AH36 配套的焊接材料，//=262N/mm2); ’
为有效截面上平均应力；鈐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强度校核准则，主 要支撑构件之间的连接焊缝则受正应力与剪应力共 同作用，故选用校核准则为式（1)，主要支撑构件 与带板的连接焊缝主要承受剪应力，故选用校核准 则为式（2)。
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船舶结构
第5期总第156期
(a)(b)
图1肋板对纵桁焊缝处单元应力云图
2.2计算模型法
根据板架理论，将船体外板和内底板简化为主 要支撑构件的带板，板架简化为交叉梁系。交叉梁 系的边界与舱壁连接处模拟为固支，与舷侧连接处 模拟为铰接。借助有限元软件计算各个梁截面上的 弯矩M与剪力厂通过焊缝的强度计算公式得出 焊缝的正应力或剪应力，再进行强度校核。
2.2.1计算梁截面的弯矩
MF
与剪力
板架理论法计算构件内力会出现多次超静 定，需要借助有限元软件才能计算出各截面的弯 矩与剪力。图2U)所示为板架梁模型，肋位编 号分别为1、2、3、4…9，图2 (b)所7TC为弯矩
M ( Bar Forces, Rotational )与剪力 F ( Bar Forces， Translational)的提取方法。
Select Result Case(s)
肋板1
肋板2
Select Fringe ResultBar Forces, Rotational Bar Forces. Translsitional
(a)
(b)
弯矩与剪力的计算模型
图2
2.2.2计算焊缝应力
由弯矩M与剪力F即可通过式（4)、式（5) 计算出焊缝的剪应力T/与正应力ff/。
VSi
式中：V为平均剪应力，N/mm2 ; K为剪力，N ; \\ 为带板对中和轴的静矩，mm3; ^为截面对中和轴 的惯性矩，mm4 ;〜为角焊缝的焊脚高度，mm ;力
(4)
为有效截面上平均应力，N/mm2;M为弯矩，N*m; 少为焊缝到中和轴的距离，mm。
v-1.4/為
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3焊缝强度实船验证
现以一艘PANAMAX型单壳散货船船底结构
为算例（尺寸见表1 )，分别通过有限元法、强度 理论法计算其主要支撑构件的焊缝应力，验证CSR 规范中主要支撑构件焊缝强度。
表1 PANAMAX型单壳散货船尺寸
项目肋板长度肋板间距横舱壁间距桁材间距船底高度数值
23 880
2 580
28 380
3 200
1780
图3舱段有限元模型示意图
限元法与计算模型法计算获得焊缝应力。
CSR-BC规范中规定中桁材对内底板的焊接类
舱段有限元模型的纵向范围选取货舱区的3个 舱，选取工况LC1~LC13(各工况分别对应CSR-BC 结构强度评估中装载工况）下进行有限元计算，有 限元模型如图3。取出各个工况下主要支撑构件焊 缝处立板单元的应力及相应带板上的荷载，通过有
型为巧，经换算得出中桁材对内底板的等效焊接 系数为0.37 ;肋板对位于底边舱的旁桁材的焊接类 型为足，经换算得出肋板对析材的等效焊接系数 为0.41[6]。通过2.1节与2.2节介绍的计算方法， 即可计算出主要支撑构件焊缝应力，如表2所示。
表2主要支撑构件焊缝应力
肋板对底边舱的旁桁材
焊缝应力有限元法
54.976.658.850.152.177.960.851.854.076.8128.177.3102.1
71.581.968.071.571.581.968.071.571.570.9149.370.9110.1
95.7133.5102.587.390.8135.6105.990.294.0133.7223.1134.6177.9
模型法124.6142.6118.5124.6124.6142.6118.5124.6124.6123.6260.2123.6191.9
中桁材对内底板
工况
荷载
焊缝应力有限元法
LC1LC2LC3LC4LC5LC6LC7LC8LC9LC10LC11LC12LC13
0.1240.1420.1180.1240.1240.1420.1180.1240.1240.1230.2590.1230.191
62.961.061.557.064.859.159.054.962.776.2133.078.6103.0
56.164.253.456.156.164.253.456.156.155.7117.255.786.4
121.4117.8118.7110.0125.1114.1113.9106.0121.0147.1256.8151.7198.8
模型法108.3124.0103.1108.3108.3124.0103.1108.3108.3107.4226.2107.4166.8
注：（1)0>为有限元法提取临近焊缝处立板单元应力，见2.1节；0■„为模型法计算获取临近焊缝处立板单元应力，见2.2节。
(2)荷载为船内外底板荷载的合力。
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船舶结构
第5期总第156期
膝2可知，雅的焊均小于262N/mm2, 表3主要支撑构件焊缝应力的统计结果
N/mm2
焊缝位置
焊缝应力 焊缝应力焊缝应力
最大值均值方差
256.8226.2223.1260.2
43.335.340.040.6
所以CSR-BC规范中主要支撑构件焊缝的焊接系数 满足焊缝强度要求。
有限元法与计算模型法获得的焊缝应力汇总 见图4和图5。
中桁材对内底板（模型法）肋板对旁桁材（有限元法）肋板对旁桁材（模型法）
中桁材对内底板（有限元法）138.7
123.4123.4141.9
CSR-BC规范对于此处焊缝类型的设置是安全的，
但安全余量有限，优化空间较小。
(2)
有限元法与模型法计算得出的结果相差
10%左右，故模型法能解释主要支撑构件焊缝受 力情况，帮助理解CSR-BC规范焊缝强度规格表中 焊接系数的设置。
(3)
借助计算模型法，可以帮助确定新型船舶
与海洋结构物主要支撑构件的焊脚尺寸。
[参考文献]
从图4和图5可以看出，有限元法与模型法计 算出的焊缝应力波动相似、结果相近，故模型法能 帮助理解CSR-BC规范焊缝强度规格表。
[1 ]王承权.船体结构角焊缝的受力分析与剪切强度系数
[J ].武汉理工大学学报，1983 (2): 35-42.
[2 ]余东方，吴剑国,朱荣成•平面舱壁周界的焊缝研究[J ]_
船舶，2014 (5): 60-65.
[3 ] Ship Structure Committee 296. Review of fillet weld strength
4结论
对PANAMAX型单壳散货船船底主要支撑
parameters for shipbuilding [ S ] . 1980.
[4]中华人民共和国国家标准.GB50017-2003 :钢结构设
计规范[M].北京：中国计划出版社，2002.
[5 ]陈铁云，陈伯真.船舶结构力学[M ].上海：上海交
通大学出版社，1991 : 72-82.
[6 ]中国船级社.钢质海船入级规范[M ].北京：人民交
通出版社，2006.
构件的焊缝应力计算结果进行统计处理，如表3所示。
(1)表3统计结果显示，两种方法计算得出 的主要支撑构件焊缝应力均满足焊缝强度要求。故
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