船舶典型结构焊接残余应力的有限元分析

李永正 沈 杰 窦培林

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 镇江212003）

0 引 言

在船舶建造过程中，从零部件的装焊到分段的装配，直至总段合拢的过程中，存在大量纵骨和外板的对接焊缝，这些对接焊缝使结构中存在复杂的焊接残余应力，对结构的性能有较大影响［1］，使结构强度和韧性下降，并能导致焊接部位产生应力腐蚀开裂；此外，焊接中产生的焊接残余变形也会很大程度影响船舶制造的精度控制，从而影响船舶建造的质量。

由于焊接残余应力测量复杂、费时费力，现阶段船厂各部门还没有对船体焊接构件进行残余应力大小的测量。随着计算机性能的提高和数值计算方法的进步，可通过有限元方法对整个焊接过程进行数值模拟计算，并通过验证试验来证明数值模拟的准确性与适用性［2-5］，不必进行大量试验，就可得到焊接过程中残余应力的大小及分布规律，为结构强度的计算提供研究依据。

1 焊接数值模拟

焊接过程包括焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、金属的相变问题、焊接残余应力与变形等［6-7］，根据焊接工艺的特点可以将焊接问题分解为温度场、应力应变场以及显微组织状态场，这种分解对焊接残余应力和焊接变形的数值分析简化处理特别关键。

1.1 焊接温度场

非线性三维瞬态瞬态温度场控制方程：

式中：T为温度场分布函数；

ρ为材料密度；

λ为导热系数；

Q为内热源，表示单位体积消耗的热能；

C为质量比热容；

Cρ为体积比热容。……