船体典型结构节点抗疲劳设计研究

船体典型结构节点抗疲劳设计研究

摘要：长期以来，船体结构的疲劳问题一直是船舶设计工作者十分关注的问题，特别是由于高强度钢在船体结构中的广泛使用，疲劳问题变得更加突出。本文简

要分析了影响焊接接头疲劳强度的几种因素，并提出了提高结构抗疲劳性能的工

艺方法，可供有关方面参考。

关键词：疲劳设计；工艺方法；因素；船体结构

1前言

随着船舶大型化的发展，船舶结构的疲劳强度已成为确保船体结构安全的重

要问题，越来越受到国际航运及造船界的普遍重视。由于船体结构疲劳所产生的

裂纹，破坏到一定程度对整个船舶将产生灾难性的后果，对船员人命安全及物质

财产产生重大损失，但疲劳裂纹的产生又具有很强的突发性和隐蔽性，极难发现。因此在船舶设计阶段就应认真考虑船体结构的疲劳强度，船舶结构疲劳强度评估

的重要性不言而喻。

另外，船舶节点的抗疲劳设计是当代船舶设计核心技术之一，是从设计源头

提高船舶使用寿命的重要手段。本文从影响焊接接头疲劳强度的因素、提高抗疲

劳性能的节点设计方法和工艺方法等方面，对船舶节点的抗疲劳设计展开讨论。

若把分析结论运用于设计实践，可为今后更好的进行结构抗疲劳设计提供理论基础，对提高新船的结构设计水平具有一定参考意义。

2影响焊接接头疲劳强度的因素

船舶结构节点多为焊接接头，焊接接头的疲劳强度主要决定于焊缝型式和焊

接工艺。在相同的焊接工艺下，焊缝型式（如：对接接头、搭接接头、丁字接头、十字接头等）不同，焊接接头的疲劳强度不相同；同样，焊缝型式相同时，采用

不同的焊接工艺（如：手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊等），疲劳强

度也会不相同。在实际的船舶设计和施工过程中，影响焊接接头疲劳强度的因素

众多，主要有：应力集中、表面加工、焊接残余应力、焊接缺陷、尺寸因素等。

2.1应力集中和表面加工的影响

应力集中和焊接残余应力是影响焊接接头疲劳强度的两大主要因素。试验表明，焊缝的凸出部是应力集中源，如果焊后不经机械加工，将使其疲劳强度大大

降低。降低凸出部高度h，增大凸出部与轴线交角θ和过渡圆角半径r，将使疲劳强度增加。使用机械加工方法将凸出部切除，应力集中可大大减小，对接接头的

疲劳极限可提高30%-70%。对接头的整个表面进行打磨，可使母体金属和接头的

疲劳极限再提高30%左右。但当焊缝有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或未焊透处

的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，这时对焊缝表面进行机械加工是

毫无意义的。

另外，不同的焊缝型式，应力集中的程度不同：搭接接头的应力集中比对接

接头严重，疲劳强度也有所降低；对于丁字接头和十字接头，由于焊缝向基体金

属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数远比对接接头高，因此疲劳强度也

远比对接接头低。提高丁字接头和十字接头疲劳强度的根本措施是：开破口焊接

使完全焊透和使焊缝向基体金属光滑过渡。

2.2焊接残余应力

焊接过程中常常产生拉伸残余应力，其值往往能达到材料的屈服点。拉伸残

余应力相当于增加一个拉伸平均应力，从而使其疲劳极限降低。为了消除焊接残

余应力，有时将焊接件进行退火或回火，这对焊接件的疲劳极限有双重影响。消

除残余应力能使疲劳极限提高，但同时又使焊缝附近区域的金属软化，从而使疲

劳极限降低。退火的最终的效果取决于两种因素的综合作用。另外，喷丸处理和

锤击是提高焊接接头疲劳强度的有效手段。

2.3焊接缺陷

当母材或焊材质量差或焊接质量不高时，在焊接接头中可能产生各种缺陷，

如冷裂缝、热裂缝、未焊透、气孔和夹渣等，这些缺陷能造成严重的应力集中，

而大大降低其疲劳强度。一般来说，焊接缺陷对疲劳强度的影响，与缺陷的种类、尺寸、方向和位置等很多因素有关。

2.4尺寸因素：

对于同一应力范围，随着构件厚度增加，接头的抗疲劳强度可能会降低。这

种效应的产生是因为与邻近板厚度有关的焊趾的局部几何形状和厚度上的应力梯

度变化。因此，基本设计S-N曲线适用于不超过基准厚度22mm的厚度。对净厚

度大于22mm的构件，接头构件的S-N曲线应进行修正。

3提高结构抗疲劳性能的工艺方法

下面以双壳油轮的甲板横向强框架的大肘板趾部、内底板与底边舱斜板相交处、横舱壁与内壳相交处、底边舱斜板与内壳相交处、纵舱壁的垂直桁与内底连

接处、横舱壁的水平桁与内壳连接处等6个部位为例，说明提升结构抗疲劳性能

的工艺方法。

3.1规定的工艺方法

设计阶段，确定节点规范要求的疲劳寿命时，不考虑趾部打磨的优点。但是

在采用所有设计方法后，如：增加局部厚度、延伸焊脚长度、修改局部几何形状等，结构的疲劳寿命仍然不能满足要求，可以考虑采用此方法。计算出的疲劳寿

命应大于17年，且不考虑打磨效果。采用打磨方式时，结构细节的打磨标准应

该包含打磨范围、光洁度、最终的焊缝形状、打磨工艺和采用的质量标准等。打

磨最好采用旋转式砂轮，将打磨范围扩展到板面以下，以便消除焊趾缺陷的影响，并对打磨区域进行有效的腐蚀保护。这种处理方法是在焊趾处形成一个光滑的凹面，并将任何可见的切口打磨至其底部以下至少0.5mm。通常，产生凹面的深度

应尽可能小，其深度最大为1mm。如能遵循以上的打磨建议，则可认为寿命最大提高至2倍。

3.2提高疲劳性能的工艺措施

（1）改善焊缝形状：如：打磨焊缝表面、打磨焊缝在焊趾处的圆角、采用TIG技术和等离子覆盖技术等；（2）减少焊接残余应力：如敲击（含锤击、针状

敲击等）、热处理以减轻应力、改变应力性质等；（3）改善焊接接头的环境条件：涂油漆和树脂涂料等。

3.3焊后特殊处理：TIG重熔和超声冲击技术

（1）焊趾处因焊缝向母材的过渡不圆顺、不光滑造成了应力集中，TIG重熔

能使焊趾处凸出部与轴线交角θ和过渡圆角半径r增大，使疲劳性能提高，而且TIG重熔对焊接接头焊趾外形的改变优于超声冲击处理。

（2）通过增大焊趾区硬度来改善疲劳性能：TIG和超声冲击处理可通过硬化

焊趾区材料而获得更好的疲劳性能改善量，前者的影响大于后者。

（3）对焊趾残余应力的影响：超声冲击处理后，在焊趾区形成了垂直于焊缝方向的残余压应力；原始焊态，残余应力较小，基本为0；TIG重熔后形成了残余