《Ocean Engineering》：Ultimate strength research on hull T-joint stiffened plates by laser-arc hybrid welding considering preheating conditions
编辑推荐：
•热弹塑性焊接缺陷被纳入屈曲分析中。•发现预热对焊接缺陷的影响具有尺寸依赖性。•定量评估了预热温度对极限强度的影响。引言在现代造船业中，轻高强钢加筋板的应用是提高船舶运行效率和降低燃油消耗的关键策略。由于加筋板结构固有的刚度不对称性，以高热输入为特征的传统电弧焊往往引发严重的
- •
热弹塑性焊接缺陷被纳入屈曲分析中。
- •
发现预热对焊接缺陷的影响具有尺寸依赖性。
- •
定量评估了预热温度对极限强度的影响。
引言
在现代造船业中，轻高强钢加筋板的应用是提高船舶运行效率和降低燃油消耗的关键策略。由于加筋板结构固有的刚度不对称性，以高热输入为特征的传统电弧焊往往引发严重的残余应力和面外变形（Jafarpour and Khedmati, 2021; Li and Chen, 2025; Nickabadi et al., 2025; Tang et al., 2026）。这些变形不仅需要进行昂贵的焊后热矫直，还显著损害了船体加筋板的疲劳强度和极限承载能力。在当前的工业实践中，单面焊越来越受到优先考虑，因为它免除了翻转大型板材的需要，从而节省了大量的装配时间和人工成本，并直接提高了工业盈利性。
近年来，激光 - 电弧复合焊 (LAHW)（Gong et al., 2025; Peli et al., 2024; Song et al., 2026a, 2026b; Zhang et al., 2026）因其结合了激光焊接的高穿透能力和电弧焊接的优良搭接缝桥接能力，已被广泛应用于汽车、航空航天和海洋工程领域。然而，LAHW 特有的极高加热和冷却速率会在接头区域诱发严重的温度梯度，导致薄板中出现显著的应力集中和屈曲变形。
预热是一种传统且有效的策略，通过提高组件的基准温度来调节焊接热力学，从而减小空间温度梯度并减缓冷却速率。Sun 和 Dilger (2023) 研究了预热对超高强度钢焊接过程中残余应力的影响，强调预热显著影响了横向残余应力的大小，且预热温度改变了由相变主导的应力演化。Li 等人 (2025) 考察了薄钢板的面外变形，发现全局预热能有效缓解固有的纵向弯曲。此外，Piekarska 等人 (2017) 指出，双束激光焊中的预热可减少马氏体，从而增强接头韧性并降低裂纹风险。这些发现证实了预热在提高高强度钢焊接接头韧性方面的普遍益处。
尽管焊接接头的预热过程已得到广泛研究，但现有的数值研究（Hagn?s et al., 2026; Sathishkumar et al., 2026; Yang et al., 2025; Zhang et al., 2022, Zhang et al., 2022）对于造船用高强度结构钢（如 AH32 钢）的 LAHW 仍主要局限于小尺寸试样。针对单边复合焊作用下的大型船体加筋板的全局预热效应研究仍然缺失。主要瓶颈在于计算成本与结果准确性之间的冲突。从网格划分的角度来看，如果对大型模型的焊接区域施加精细网格，单元数量将变得极其庞大，超出常规计算机的内存和时间限制。从非线性求解的角度来看，LAHW 中材料、几何和接触非线性（如熔池流体行为）之间的高度耦合要求在热弹塑性分析的每个增量步骤中进行多次迭代才能收敛。同时采用全领域 3D 实体单元和精细时间增量可能导致单个计算案例耗时数周，使得多案例参数化研究实际上无法进行。因此，针对组件尺寸效应与预热热力学效应之间耦合机制的系统研究尚缺乏。此外，大多数现有的数值模型采用双椭球热源来模拟电弧焊，其预测精度主要针对温度和残余应力场进行了验证。在全局预热下，T 型船体加筋板在单面不对称焊接条件下的温度场演化、残余应力变化和面外变形的影响仍有待探索。
焊接引起的残余应力和结构变形作为不可忽视的初始缺陷，直接决定了加筋板的极限承载能力（Chen et al., 2023; Cui et al., 2024a, 2024b; Shi et al., 2022）。作为船体的基本构件，加筋板对于高保真度的结构强度评估至关重要。其承载性能不仅对结构设计至关重要，对运行安全、维护和应急响应也至关重要。Paik 等人 (2008) 利用非线性有限元分析系统地研究了船体结构组件的极限强度，考虑了材料非线性、几何非线性和初始缺陷。Cui 和 Mansour (1998) 利用弹性大变形理论和刚塑性分析考察了焊接引起的初始缺陷对船板极限强度的影响。此外，Ma 和 Wang (2021) 对轴向压缩和横向压力联合作用下的加筋板进行了数值模拟，建立了包含横向加载效应的经验极限强度公式。然而，大多数现有的极限强度研究忽略了实际的焊接过程，而是直接将理想化的缺陷施加于原始几何模型上进行非线性极限强度分析。虽然这种方法具有计算简单和参数灵活性高的优点，但该框架内的残余应力大小和初始变形幅度通常依赖于经验公式或文献建议，缺乏与实际焊接过程的内在物理联系。因此，可能难以准确反映不同焊接工艺方案对结构极限强度的实际影响。
为了弥补这些差距，本研究为加筋船板建立了全尺寸有限元计算域。采用锥形和双椭球组合热源模型来准确表征 6 kW 激光和 2 kW 电弧的不对称热输入特性。本文系统地研究了四种全局预热温度（20 °C、100 °C、200 °C 和 300 °C）下热力学响应和变形模式的扰动。此外，本文将这些多场耦合缺陷映射到非线性结构屈曲模型中，以定量评估其对极限强度的影响以及预热的潜在缓解机制。本研究旨在超越传统工艺级评估的局限性，建立连接焊接工艺优化、缺陷控制和承载能力评估的闭环理论框架。
章节摘要
几何模型
基于典型的船体结构设计，选择由单个加筋件和连接板组成的 T 型接头作为研究对象。T 型接头的位置及其横截面尺寸分别如图 1 和图 2 所示。为确保结果的工业适用性，加筋板的尺寸采用自 ISSC 2012 报告（Paik et al., 2012）。板材和加筋件的详细参数列于表 1 中。可以
模型验证
LAHW 中的熔池形貌是评估热输入适当性的直接指标。本研究通过有限元分析获得的熔池形貌如图 12 所示。为了进一步证明熔池形貌的有效性，将文献中报告的实际 LAHW 熔池形貌（Bunaziv et al., 2018）与本研究中获得的形貌进行了对比，如图 13 所示。可以观察到熔池
结论
本研究利用顺序耦合有限元法，系统地分析了 AH32 高强度钢加筋板在 LAHW 过程中各种全局预热温度的影响。数值模拟获得的焊接引起的残余应力和变形随后被作为初始缺陷引入极限强度分析模型中。与不考虑焊接过程的极限强度分析相比，此
CRediT 作者贡献声明
崔宏伟：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，监督，资源，调查，资金获取，概念化。周宇辰：写作 – 原稿撰写，软件，方法论，形式分析，数据整理，概念化。高本国：软件，方法论，形式分析。马一鸣：验证，软件。山肖勤：软件，形式分析，数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。
致谢
受重庆市教育委员会科学技术研究项目（项目编号：KJZD-K202300710）支持。
崔宏伟 | 周宇辰 | 高本国 | 马一鸣 | 山肖勤
