图4.28 平面舱壁反变形示意图
例如，某船主机座的梁长L＝7000mm，腹板高H＝1000mm，腹板厚12mm，翼板厚30mm，要求焊后最大挠度为土4mm。通过计算确定焊接弯曲变形的挠度为4mm左右。下料时，在腹板边缘预制6mm的反变形。焊后实测主机座的挠度为lmm，完全符合要求，见图4.29。
图4.29 主机座腹板下料图
在焊接船体分段时，由于焊缝位置不对称于结构的中性轴，焊后往往产生纵向弯曲和横向弯曲。对于这种大型焊接构件，只能采用具有反变形的胎架进行装接，以保证结构符合设计要求。为此，分段胎架的模板必须具有一定的反变形，如图4.30所示。
图4.30 胎架反变形
反变形控制焊接变形的方法，不仅广泛使用于部件、分段的装焊过程，而且在船台总装阶段，也常常采用。就全船来看，总段对接焊缝大部分在中性轴以上，主甲板以上结构所有焊缝全部在中性轴以上。因此，在船台总装阶段，焊后往往产生首尾上翘变形。为防止产生这种变形，总段在船台上对接时，要摆成下降的曲线，如图4.31所示(该船长7lm)。
图4.31 船台总装阶段的反变形
3．选择合理的装配焊接次序
在船体结构的装配和焊接中，由于焊缝很多，对于变形的影响也比较复杂。为了控制变形，常把结构分成若干个零部件，分别装配焊接，然后将焊好的部件装配成一个整体。这样可以使那些不对称的或收缩量较大的焊缝能自由收缩，而不影响整体结构。
4．预留收缩余量法
构件焊后纵向(沿焊缝方向)和横向(垂直于焊缝方向)的缩短,可以通过对焊缝收缩量的估算，在备料加工时预先留出收缩余量进行控制。
在自由状态下，采用正常规范进行手工电弧焊时，其纵向收缩量的经验数据参见表4.1。
表4.l 纵向收缩量的经验数据 焊缝类型 对接缝 连续角焊缝 间断角焊缝 收缩量/（mm/m） 0.15～0.3 0.2～0.4 0～0.1 由上表可见，间断角焊缝的纵向收缩量比连续角焊缝小．因此，在受力不大的地方，用间断角焊缝代替连续角焊缝，是降低纵向收缩变形的有效措施。
对于细长钢制构件如梁．柱等结构，其单层焊的纵向收缩量也可按下式进行估算：
?L?0.055FHL (4.1.1) F式中 ?L——构件的纵向收缩量，mm；
L——构件长度，mm；
F——焊件的横截面积，mm2； FH一焊缝的横截面积，mm2。
横向收缩量主要取决于焊接热输人量和构件厚度。横向收缩量可按下式进行估算：
?b?5?10?3E? （4.1.2）
式中 ?b——横向收缩量，cm； E——焊接热输入量，kJ／cm ?——板厚，cm。
横向变形还和结构的刚度有关。一般情况下，构件的横向收缩量比纵向大得多。在船体结构中，外板对接缝以及肋骨和壳板间的角接缝，焊后都要产生横向收缩。为了保证肋骨间距和船长，在船舶焊接中每一肋骨间距要预留0.5mm～lmm的余量。
4.4 焊接结构的疲劳断裂
4.4.1 疲劳基本概念
金属材料及其结构因受交变载荷作用而发生损坏失效或断裂的现象，称为疲劳断
裂。疲劳断裂大多经过疲劳裂纹的蕴育、萌生(启裂)、稳定扩展(亚临界扩展)、失稳扩展以至断裂的过程。
疲劳断裂是在应力远低于材料的抗拉强度(有时低于屈服强度)的循环应力作用下发生的低应力破坏。虽然疲劳断裂在断裂前材料的塑性变形很小，和脆性断裂有许多相同或相似的特点，但从疲劳断裂的本质上看，疲劳断裂和一般的脆性断裂并不相同。 1．疲劳寿命
一般将疲劳寿命分为两大部分，
①裂纹发生寿命Nc，即裂纹产生以前的载荷循环次数。
②裂纹扩展寿命Np，即裂纹发生扩展至断裂的载荷循环次数。 因此，总的疲劳寿命Nf＝Nc+Np。 2．高周疲劳和低周疲劳
就工程结构而言，疲劳可以按照所施加载荷作用频率的高低分为高周(高频) 疲劳和低周(低频)疲劳两大类。
高周疲劳又简称应力疲劳，构件所受的载荷频率f(或n)>20次／min，其工作应力 ???s/3，Nf>104～107次，疲劳裂纹扩展速率da／dN<10-2mm／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，Nf<104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：
m
NS＝C (4.4.1)
图4.83为S—N疲劳曲线。在双对数坐标图上lgS—lgN为一直线，如图4.84所示。则式(4.4.1)为：
lgN＝B一mlgS (4.4.2)
图4.83 S—N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％。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2×106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
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
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。
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Kc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?Ni?N? 这两者的分界线和裂纹初始尺寸的定义有关，从裂纹的检测精度和工程结构实际使用来看，常把初始裂纹尺寸定义为0.25mm，并以此来分析疲劳裂纹的起始寿命和扩展寿命。材料S-N疲劳曲线，实际上是各种构造细节的裂纹的起始寿命和疲劳强度的关系。用线弹性和弹塑性断裂力学可以从理论上对起始寿命和扩展寿命做评估。
#第四章 船体焊接中的力学问题 - 图文
