第5期总第156期|
CSR和CSR-H的焊接系数研究
吴剑国1朱荣成2马剑1
(1.浙江工业大学建筑工程学院杭州310032 ; 2.中国船级社上海规范与技术中心上海200135 )
[摘要]归纳和定性分析CSR和CSR-H的焊接系数，确定焊接系数的影响因素。提出焊接系数利用因子的有限元分析方法, 确定焊缝强度的应力标准。进行了 13艘CSR船舶船体结构焊缝应力的提取和焊接系数利用因子的计算，获得CSR船体结构 各类角焊缝利用因子的统@果。通过短柱和板条梁的焊缝强度试验，验证焊缝强度标准及焊缝应力公式的正确性和适用性。 [关键词]焊接系数；角焊缝；焊缝强度；结构有限元；焊缝试验
[中图分类号]U661.42 [文献标志码]A [文章编号]1001-9855 (2015 ) 05-0119-04
Welding coefficients in common structural rules and
harmonised common structural rules
WU Jian-guo1 ZHU Rong-cheng2 MAJian1
(1. Architectural Engineer Institute, Zhejiang Industry University, Hangzhou 310032, China;2. CCS Rules and Technology Center, Shanghai 200135, China)Abstract: Welding coefficients in common structural rules (CSR) and harmonised common structural rules (CSR-H) have been induced and qualitatively analyzed to determine the influence factors. FEM analysis method of utilization factors of welding coefficients is presented to set up the stress standard of weld strength. It carries out the extraction of welding stresses and the calculation of the utilization factors of the welding coefficients according to the hull structures of thirteen CSR ships to obtain the statistical results of the utilization factors of the various fillet welding of CSR ships. The accuracy and applicability of weld strength standard and weld stress formula are validated through the weld strength tests of the stub and batten girder.Keywords: welding coefficient; fillet welding; weld strength; structural FEM; weld test
引言
焊接系数（Weld Factor)是焊缝剪切强度系 数 ( Fillet Weld Factor On Shear Strength )的简称， 其定义为角焊缝焊喉厚度与腹板厚度之比。船体结 构的复杂性和承受载荷的多样性，使得船体结构角 焊缝的计算极其复杂，而且工作量巨大。为方便设 计者进行焊缝设计，国际上各船级社经过长时间工 程经验的积累，总结提出了计算船体结构角焊缝尺
寸的简便方法——焊缝系数法。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，经过多年演变至今，形成现行的焊接系 数规格表。然而，由于种种原因，焊接系数规格表 系统完整的数据来源已不可循。ISSC-296[1]为分 析角焊缝的强度，推荐采用非线性有限元方法进行 大量的角焊缝分析，确定焊缝的最小尺寸，并建议 采用光弹或类似的实验来验证数学建模和计算结果 的有效性。ISSC-323 [2]使用简单的工程设计方法，
[收稿日期]2015-06-15[作者简介]吴剑国（1963-),男，博士，教授，研究方向：船舶结构。
朱荣成（1981-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：船舶规范研究。 马剑（1973-),男，硕士，副教授，研究方向：船舶结构。
通过测试验证美国船级社（ABS)角焊缝尺寸，并 把它们改成更加实用的形式，比其他规则更便于设 计者使用。
我国造船业对焊接系数也曾做过一些研究[3<。 焊缝设计的要求作为规范不可或缺的一部分，同样 需要按照GBS的要求进行验证并接受审核。为此, 中国船级社上海规范研究所联合浙江工业大学进行 了船舶结构焊接系数的方法确定和设计标准的研 究，通过实船的计算分析[7_9]，证明目前规范（包 括CSR-H)中的焊接系数的取值符合GBS船舶安 全性的要求。
表1 CSR与CSR-H对焊脚尺寸的要求
位置由中桁材
对内底板
76 0001散货船
(BC)
115 0001油船
(OT)
CSR-BCGSR-HCSR-OTCSR-H11
12
911
13
108
8
87
6
654
6
45
6
544
6.56.5
66.56.5
6.56.5
66
6
6
66
67
6
7
6
8
6
8
7
8
(端部处）外底板旁桁材
内底板
(端部处）外底板肋板
内底板
(端部处）外底板
单舷侧
垂向肋板
双舷侧
1 CSR与CSR-H对比
通过对CSR和CSR-H中的焊接系数的定性分 析和计算比较，得出以下结论：
(1 )联系焊缝的焊接系数普遍较小，承载焊缝 的焊接系数普遍较大。
(2 ) —些承担载荷较小的次要构件，如骨材, 其焊接系数水平均较低。船体桁材等主要支撑构件 的焊接系数较大，使其能有效地传递并承担载荷。
(3 )对于焊接系数的取值还要考虑到其所在的 位置，不同位置处由于构件承受横向载荷的不同， 焊接系数也会有所变化。通常侧向载荷较大，焊接 系数也较大，如货油舱区域。
(4) (5)
很大，密性板材焊接系数要高于非密性板材。来，构件的跨度越大其焊接系数就越大，反之亦然。 在同一跨度中，端部的焊接系数往往会髙于跨中。
(6 )板材厚度不同,焊接系数的大小也会不同。定性分析确定焊接系数的影响因素，为焊缝应 力分析模型的建立以及焊接利用因子的确定打下了 基础。
对于载重吨为76000 t的散货船和115 0001的 双壳油船，分别应用CSR与CSR-H,计算出各个 部位的焊脚尺寸，结果见表1。
肋板纵骨
纵析内底板外底板顶边舱
纵骨
底边舱
横梁纵骨
甲板板甲板板
初步分析表明：CSR-H的焊接系数总体上不 小于CSR的焊接系数。因此，只要验证CSR焊接 系数的安全性，CSR-H焊接系数即同样安全。
2焊接系数利用因子的确定
结构有限元方法可以准确地计算出船体结构
非密性的板材与密性板材的焊接系数差别
构件跨度会影响焊接系数的大小。一般说 的应力分布。那么，如何从实船有限元计算模型中
获得各类构件焊缝处的应力，进行焊接系数规范要 求的验证呢？项目组为此构建了8种焊缝强度计算 模型和船体焊缝强度标准，建立一套采用有限元模 型的焊接系数利用因子计算方法。重点解决了以下 三个关键问题：
(1)在有限元模型中提取哪些应力成分。有限 元计算可以提供的应力计算结果很多，哪些是能表 征焊缝强度的应力分量，这些量又如何与焊缝强度 建立联系，是首先需要解决的问题。针对船体不同
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规则规范
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部位构件的受力特点，构造出8种焊缝应力计算模 型，Xf于不同的结构和载荷，相应于不同的计算模 型，需要提取不同的应力。
(2)
有限元的应力结果与焊缝理论公式计算值
是否一致。由于实船体量庞大，船体结构有限元分 析所用单元的尺度较大，通常板单元都在800 mm X 800 mm左右，而焊脚高度一般都在10 mm以下，不 可能在实船模型中建立焊缝模型进行单元划分。因 此，如何表征焊缝处的应力、建立焊脚高度与焊缝 应力的规是本施第二个要解决的问题。
(3)
角焊缝有限元计算的应力标准，即焊缝
强度许用值。要获得焊缝的焊接系数利用因子，就 需要确定角焊缝有限元计算的焊缝强度许用值。而 通常的焊缝强度许用值是根据建筑钢结构规范确定 的，不能直接应用于船舶结构的有限元计算。两者 存在两个差别：一是载荷与强度的体系不同；二是 计算模型不同，
一
表2 CSR-OT焊接系数利用因子
位置中桁材对内底板中桁材对外底板旁桁材对内底板旁桁材对外底板肋板对内底板肋板对外底板舷侧平台对舷侧内板舷侧平台对舷侧外板垂向肋板对舷侧内板垂向肋板对舷侧外板
肋板对纵桁横舱壁对内底板纵骨对内底板纵骨对外底板纵骨对底边舱横梁对甲板纵骨对甲板
最大值0.650.540.830.730.920.930.390.440.970.790.730.800.250.260.120.130.35
均值0.250.230.420.350.350.330.130.140.280.260.200.380.110.110.060.050.14
方差0.150.140.200.180.210.230.100.110.220.200.200.190.060.070.040.030.10
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。
利用13艘CSR实船的有限元应力计算模型， 获得了各种构件、各个工况的焊缝应力，进行了规 范焊接系数的验证。焊接系数利用因子结果汇总见 表2和表3。
焊缝强度利用因子的定义如下：焊缝强度利用因子=
焊缝应力
焊缝许用应用
表3 CSR-BC焊接系数利用因子
位置中桁材对内底板中桁材对外底板旁桁材对内底板旁桁材对外底板肋板对内底板肋板对外底板肋板对纵桁纵骨对内底板纵骨对外底板纵骨对顶边舱纵骨对底边舱横梁对甲板纵骨对甲板舷侧肋板对外板
最大值0.890.900.870.850.980.870.960.430.530.490.420.250.820.45
均值0.390.320.350.350.470.400.440.170.210.190.100.070.270.17
方差0.180.170.210.210.190.170.150.100.140.120.070.060.210.09
立板应力r
_焊缝许用应用r。
通过13艘实船的焊接利用因子计算表明：(1)
对CSR-OT :肋板对内外底板、垂向肋板
对舷侧内外板、横舱壁对内底板处的焊接系数利用 因子虽满足强度要求，但最大利用因子分布约0.9, 均值约0.3 ;中桁材和旁桁材对内外底板、肋板对 纵桁处的焊接系数利用因子满足强度要求，最大利 用因子分布0.7左右，均值在0.3左右;骨材对甲板、 边舱、底板处的焊接系数的最大利用因子分布0.2 左右，均值在〇_2左右，强度裕度较大。
(2) 对CSR-BC :中桁材、旁桁材对内外底板
处的焊接系数利用因子满足强度要求，最大利用因 子分布约0.9,均值约0.35;肋板对内外底板、肋 板对纵桁处的焊接系数利用因子虽满足强度要求， 但最大利用因子分布约0.9,均值约0.45;骨材对 甲板、边舱、底板处的焊接系数的最大利用因子分 布约0.5,均值约0.2,强度裕度较大。
(3) (4)
3模型试验验证
为进一步研究船体构件间焊缝的受力性能，设
计了焊接短柱和钢梁的焊缝强度试验。试验的主要 目的是确定焊缝剪切强度和验证角焊缝剪应力。
为此，项目组完成了4组短柱的焊缝受剪破坏 图2所示），测试多种载荷作用下板条梁及焊缝的
总体而言，肋板和纵桁处焊接系数利用因 试验(如图1所示），4个板条梁的焊缝模型实验(如 现行船舶规范焊接系数均满足强度要求， 应力。
子较高，骨材处焊接系数利用因子较低。
有些构件应力利用因子较低，有进一步优化的空间。
(a)试件实图(b)试件加载 图1
短柱焊缝剪切破坏试验
（C)焊缝破坏
今后的发展——坚实的基础。
建立基于净尺寸的焊接系数奠定了
(a)模型加载
图2
（b)应变花张贴
[参考文献]
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shipbuilding [ S ] . Ship Structure Committee 296, 1980.[2 ] ISSC323. Updating of fillet weld strength parameters for
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[3 ]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.
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Double Oil tankers. 2014.
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[9] 牛思彬，吴剑国，沈传釗，等.船体结构角焊缝的应
力分析与试验[J ] •造船技术，2014 ( 6 ) : 46-49.
焊接工字梁的弯剪试验实图
对比短柱的焊缝受剪和梁的弯剪焊缝应力测 试值与焊缝应力的理论计算值表明，焊缝应力的理 论计算方法正确，具有较高精度。现行钢结构规范 的安全系数在2.0倍以上，而实验验证梁的联系焊 缝破坏试验与理论值之比达4.22,通常钢结构角焊 缝的强度设计值用于船体梁联系角焊缝的强度设计 偏于保守。
4结论
项目组从理论、计算、试验三个方面对CSR
和CSR-H中焊接系数的利用因子进行研究并验证 现行规范，包括CSR-H焊接系数的安全性。建立 了一套确定船体结构焊接系数的理论方法，为规范
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