耐压壳结构广泛存在于水下机器人、潜水艇、载人潜水器等水下航行器中，其结构的强度与稳定性是保证航行器安全性的重要因素。耐压壳体的制造通常离不开焊接技术，焊接将会带来焊接变形与残余应力，不同的焊接坡口形式，造成的焊接影响也有所不同。研究不同的焊接坡口对耐压壳稳定性造成的影响程度，对于提高耐压壳的稳定性有着重要的工程指导意义。

       本文利用ANSYS有限元软件，对不同焊接坡口的耐压壳结构进行了焊接数值模拟，并基于不同坡口的焊接缺陷对耐压壳的稳定性进行了有限元分析，研究不同焊接坡口对耐压壳稳定性的影响程度。

       首先，介绍了焊接仿真的基本流程，针对本次研究对象，选择了热-力间接耦合的方法，依据焊接过程的特点，选择了生死单元技术，对不同坡口形式下的耐压壳结构焊接进行了仿真，找出了焊接变形与残余应力较小的坡口形式。然后，对耐压壳结构进行了线性屈曲分析，得到理想状态下的失稳临界载荷，为进一步的分析提供有利的参考值；接着，以焊接数值模拟得到的结果为基础，引入不同坡口的焊接变形与残余应力，对耐压壳结构进行非线性屈曲分析，得到了不同情况下的失稳临界载荷。最后，将不同情况下的失稳临界载荷值与理论公式计算所得值进行对比，找到了一种对耐压壳稳定性的影响程度最小的坡口形式，为耐压壳的实际焊接工作提供了重要的参考。

[1] 王林. 深海耐压结构型式及稳定性研究[D]. 北京：中国舰船研究院，2011.

[2] 中国船级社. 材料与焊接规范[S]. 北京：北京人民交通出版社，2018.

[3] 中华人民共和国国家标准局. GB985-88. 气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸[S]. 北京：中国标准出版社，1989.

[4] 库兹米洛夫. 船体结构的焊接变形[M]. 王成泉译. 北京：国防工业出版社，1978：31-42.

[5] Ueda Y，Yamakawa T. Analysis of Thermal Elastic-Plastic Stress and Strain during Welding by Finite Element Method [J]. Japan Welding Society Transactions，1971(2)：186-196.

[6] Murakawa H. Computational welding mechanics and it’s inter face with industrial application [J]. International Symposium on Theoretical Predication Joining and welding，1996，12(3)：125-133.

[7] 唐慕尧，丁士亮，孟繁森. 焊接过程力学行为的数值研究方法[J]. 焊接学报，1999 (3)：125-133.

[8] 汪建华，陆浩，魏良武. 固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用[J]. 焊接学报，2002，23(6)：36-40.

[9] 关桥，郭德伦. 低应力无变形焊接新技术[J]. 焊接学报，1999，11(4)：232-237.

[10] Ueda Y，Yuan M G. The Characteristics of the Source of Welding Residual Stress (Inherent Strain) and its Application to Measurement and Prediction [J]. Transactions of JWRI，1992(20)：265-273.

[11] 谢雷，罗宇，谢智勇，等. 基于固有应变的大型焊接结构变形的预测[J]. 焊接学报，2004，25(2)：79-84.

[12] 金俊. 坡口形式对焊接残余应力影响的数值模拟[J]. 科技创新，2016(25)：14-15.

[13] 史建兰，魏志全，罗云，等. 坡口形式对半管夹套焊接温度和残余应力的影响[J]. 焊接学报，2017(1)：47-51.

[14] 杨喜昌. 铝合金激光-电弧复合焊接坡口形式优化[D]. 长春：长春理工大学，2017.

[15] Mardare C. Nonlinear Shell Models of Kirchhoff-Love Type：Existence Theorem and Comparison with Koiter’s Model [J]. Acta Mathematical Application Sinica，English Series， 2019，35(1)：3-27.

[16] 周维新. 复合材料新型水下耐压壳及船舶结构特性研究[D]. 武汉：华中科技大学，2015.

[17] Karman T，Tsien H S. The Buckling of thin Cylindrical Shells under Axial Compression [J]. Aeronaut Science，1941(8)：303~312.

[18] Tsien H S. A Theory for the Buckling of thin Shells [J]. Aeronaut Science，1942(9)：373~384.

[19] Stein M. Some Recent Advances in the Investigation of Shell Bucking [J]. AIAA，1968，6(12)：2339~2345.

[20] Budiansky. Buckling of Clamped shallow Spherical Shells on the Theory of Thin Elastic Shells [J]. North Holland，1960(3)：64~94.

[21] Koiter W T. On the nonlinear theory of elastic shells [J]. Proc. Kon. Ned. Wet，1966 (69)：1.

[22] Morandi A C. Frame tripping in ring stiffened externally pressured cylinders [J]. Marine Structures，1996(6)：949-970.

[23] Mao R，Williams F W. Plastic buckling of circular cylindrical shells under combined in-plane loads [J]. Solids Structure，2001(38)：741-757.

[24] 谢祚水，许辑平. 潜艇薄壁大半径圆柱壳的总稳定性[J]. 中国造船，1994(2)：82-87.

[25] 何福志，马建军. 潜艇长舱段结构强度和稳定性研究[J]. 舰船科学技术，2011，33(8)：11-15.

[26] Chirica R，Retracted. Torsional behavior of the ship hull composite model [J]. Computational Materials Science，2011，50(4)：1381-1386.

[27] MacKay R，Fred V K，Malcolm J S. Quantifying the accuracy of numerical collapse predictions for the design of submarine pressure hulls [J]. Thin-Walled Structures，2011，49(1)：145-156.

[28] Pan B B，Cui W C. Experimental Verification of the New Ultimate Strength Equation of Spherical Pressure Hulls [J]. Marine Structures，2012，29(1)：169-176.

[29] Wang J C. An efficient FE computation for predicting welding induced buckling in production of ship panel structure [J]. Marine structure，2015(41)：20-52.

[30] Brown B，Song H. Finite element simulation of welding of large structures [J]. Journal of Engineering for Industry，Transactions of The ASME，1992，114(4)：44l-451.

[31] Brown B，Song H. Implications of three dimensional numerical simulations of welding of large structures [J].Welding Journal，1992，7l(2)：55-62.

[32] Lars，Grunitz. Buckling strength of welded hy-80 spherical shells [D]. Hamburg-Harburg： Technischen University，2004.

[33] Ma N S. Prediction and measurement of welding distortion of a spherical structure assembled from multi thin plates [J]. Materials and Design，2011，32(11)：4728-4737.

[34] 姚熊亮，刘庆杰，庞福振，等. 厚壁球冠结构焊接变形及残余应力数值实验研究[J]. 哈尔滨工程大学学报，2007，28(4)：369-374.

[35] 柏林，陆皓. 基于固有应变法的大型圆筒焊接变形预测[J]. 造船技术，2005(5)：35-37.

[36] 李良碧. 高强度钢深海耐压结构焊接残余应力研究[D]. 无锡：中国船舶科学研究中心，2010.

[37] 李良碧，张沛心，朱德钦. 锥柱耐压壳高强度钢典型焊接接头残余应力研究[J]. 舰船科学技术，2014，36(11)：46-51.

[38] 李良碧，王正权，王自力. 高强度钢开孔耐压壳焊接残余应力的数值模拟[J]. 江苏科技大学学报，2011(4)：307-311.

[39] 孙文婷. 潜艇总段合拢口焊接残余应力数值预报与对比试验研究[D]. 无锡：中国船舶科学研究中心，2006.

[40] 陆蓓，刘涛，崔维成. 深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究[J]. 船舶力学，2004(1)：51-58.

[41] 洪江波，杜仲民，侯海量，等. 大型耐压壳环焊缝焊接残余应力实验研究[J]. 船舶工程，2006(5)：14-18.

[42] 王芳，王莹莹，王珂. 钛合金深潜器载人舱疲劳寿命预报方法研究进展[J]. 钛工业进展，2016(4)：1-6.

[43] 王芳，杨青松，胡勇. 全海深载人潜水器载人舱缩比结构模型试验研究[J]. 船舶力学，2018(2)：62-71.

[44] 徐磊，黄小平，王芳. 焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响[J]. 船舶力学，2017(7)：864-872.

[45] 张建，张跃文，赵希禄. 马氏体镍钢制大深度载人潜水器载人球壳的强度特征[J]. 船舶力学，2018(12)：1508-1526.

[46] 鲁彦平，胡素坤. 潜艇用高强度高韧性钢的焊接工艺[J]. 材料开发与应用，1990(3)：39-56.

[47] 郑振太. 大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用[D]. 天津：天津大学，2007.

[48] 杨建国. 焊接结构有限元分析基础及MSC. Marc实现[M]. 北京：机械工业出版社，2012：67-68.

[49] 吴甦，赵海燕，王煜，等. 高能束焊接数值模拟中的新型热源模型[J]. 焊接学报，2004，25(1)：91-94.

[50] 张海泉. 电子束焊接瞬态热冲击效应研究[D]. 北京：北京航空航天大学，2002.

[51] Goldak J，Chakrararti A，Bibby M. A New Finite Element Model for Welding Heat Sources [J]. Metallurgical Transactions B，1984，15(2)：299-305.

[52] 李红涛，宋绪丁. 不同热源模型对Q345中厚板焊接温度场的影响[J]. 加工工艺，2017(23)：205-209.

[53] 张彦华. 焊接力学与结构完整性原理[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：41.

[54] 徐秉汉，朱邦俊，欧阳吕伟，等. 现代潜艇结构强度的理论与试验[M]. 北京：国防工业出版社，2007：41-82.

[55] 谢祚水，王自力，吴剑国. 潜艇结构分析[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2004：20-22.

[56] 张洪才. ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].北京：机械工业出版社，2012：233-234.

[57] 中国船级社. 潜水系统和潜水器入级与建造规范[S]. 北京：北京人民交通出版社，2018.