含裂纹加筋板在压缩载荷下的剩余极限强度试验研究

在老龄化引起的船舶结构安全性问题中,裂纹损伤是结构强度衰减的一个重要因素。文章采用逐步加载法对含裂纹损伤的加筋板压缩剩余极限强度进行试验研究。设计六种典型的穿透裂纹损伤加筋板,对损伤试件进行轴向压缩试验。通过改变裂纹尺寸、位置及倾角参数并根据试验观测结果,探讨了不同裂纹参数下加筋板的屈曲破坏特点和对剩余极限强度影响。试验结果表明,不同的裂纹长度以及裂纹位置改变加筋板结构承载力的分布,影响结构应力应变场,进而改变其失效崩溃模式;倾角为45°的裂纹相对于垂直于加筋的裂纹对加筋板结构的剩余极限强度影响较小,此外初始缺陷对结构的剩余极限强度的影响也不容忽视。     

极地邮轮甲板结构的冗余度分析

按照国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)对船舶结构冗余度的要求,基于加筋板损伤假定,提出一种邮轮甲板结构冗余度验证方法,包括邮轮甲板结构冗余度准则、损伤假定、载荷情形和非线性有限元分析等内容。采用该方法对不同上层建筑参与度下极地邮轮甲板结构的冗余度进行验算。计算结果符合法国船级社《Rules for the Classification of Steel Ships》的加筋板屈曲失效准则,邮轮甲板结构能满足冗余度要求,即“任何加筋结构构件的局部损伤(如局部永久变形、断裂或焊缝失效)不会立即导致整个加筋板格垮塌”。该研究可供邮轮的结构冗余度设计参考。     

基于广义切线模量理论的铝合金加筋板结构轴压极限强度分析

研究铝合金加筋板结构的极限强度,有利于充分发挥铝合金材料的强度潜力和结构的后屈曲承载能力。本文将广义切线模量理论应用于铝合金加筋板结构的轴压极限强度计算,并推导了适用于加筋板的协调参数、极限弯矩系数及结构系数等相关参数的解析算式,建立了铝合金加筋板结构的强度利用率函数,从而得到结构的极限强度,进一步完善了广义切线模量理论在加筋板结构极限强度研究领域的应用。通过将广义切线模量法计算结果与经验公式、有限元计算结果进行比较,验证了其适用性与可靠性,可用于工程分析计算。     

极地低温和凹陷损伤下加筋板极限强度的参数敏感性分析

为了快速评估含船冰碰撞凹陷损伤下加筋板在轴向压缩载荷作用下的极限强度，本文采用非线性有限元法对低温凹陷损伤加筋板的极限强度进行研究。根据EH36钢在低温下的材料力学性能试验，通过折减因子评估法，基于完整加筋板在轴向压缩下极限强度的经验公式，提出以加筋板柔度和加筋板壳板柔度为变化参数，采用最小二乘法拟合折减系数，得到低温含凹陷损伤加筋板剩余极限强度的经验公式。结果表明，相比于凹陷长度和凹陷深度，凹陷宽度对加筋板极限强度的影响较大；对比分析凹陷损伤加筋板极限强度的经验公式和有限元法的计算结果，误差较小，验证了船冰碰撞凹陷损伤下加筋板的极限强度快速评估方法的准确性。     

邮轮典型开孔高腹板板架结构极限强度分析

[目的]开孔高腹板板架结构是在大型邮轮上层建筑中广泛使用的一类特殊结构,为建立此类结构的设计方法,需充分掌握大型邮轮上层建筑典型开孔高腹板板架结构的力学特性。[方法]综合运用经典加筋板理论与非线性有限元方法,分析甲板初始缺陷、纵桁规格、腹板开孔对板架纵向受压极限承载能力的影响规律。[结果]发现薄板板架对于初始缺陷更为敏感且不同于厚板板架的初始变形模式,纵桁对纵压极限能力贡献度较大,纵压极限承载能力对开孔比例、开孔形状敏感性较低,开孔位置决定崩溃破坏屈曲带的位置,进而揭示了开孔高腹板板架的破坏失效模式。[结论]所得甲板初始缺陷、纵桁几何尺寸、腹板开孔诸因素对开孔高腹板板架极限强度的影响规律,可为邮轮结构轻量化设计及安全性评估提供指导。     

轴向压力下含点蚀损伤加筋板极限强度研究

点蚀损伤常发生于船体结构,将会造成结构的局部缺失而影响船舶结构的安全性.针对船体结构的基本构件加筋板,采用非线性有限元法研究轴向压力下点蚀损伤对其极限强度的影响,考虑点蚀位置、直径、数目、深度、点蚀损失体积等影响因素,分析船体加筋板极限应力和屈曲失效模式,获得结构的极限强度,拟合影响因素和加筋板极限强度的关系曲线,定性分析了点蚀损伤对加筋板的破坏.结果表明,点蚀损伤削减了加筋板极限强度;点蚀影响因素(点蚀直径、数目、深度、损失体积)对含点蚀损伤加筋板极限强度的影响近似呈现非线性的二次单调函数关系.     

组合压载下金属折叠式夹层板的后屈曲极限强度分析

金属夹层板以优异的力学性能已应用于实船。本文根据与加筋板重量相当原则,设计一种金属折叠式夹层板结构,考虑其应用于舰船甲板的受力特性,采用非线性有限元方法,研究夹层板结构在不同组合载荷作用下的非线性后屈曲极限强度。首先通过与经验公式及相关结果对比验证了本文数值仿真方法和技术的可行性和准确性;然后建立双向面内受压和垂向载荷作用下的金属折叠式夹层板结构数值模型,基于屈曲特征值确定屈曲极限强度分析的初始缺陷;考虑结构初始缺陷,计算得到夹层板结构的后屈曲极限强度;对金属折叠式夹层板在不同组合载荷作用下的横向、纵向后屈曲极限承载能力进行计算分析;并与传统加筋结构对比,结果显示本文设计的金属折叠式夹层板结构具有更优异的稳定性和极限承载力,结果对金属夹层板的应用与强度设计提供参考。     

多开口甲板板架结构极限承载力实验研究

[目的]为了研究多开口结构形式对甲板板架结构极限承载能力的影响,[方法]以2种不同开口形式的双层板架模型为研究对象,对其在轴向压缩载荷作用下的极限承载能力进行实验研究,对比分析双开口甲板结构和舷侧开口板架结构的失稳破坏模式及极限承载能力,得到多开口甲板板架结构在逐步崩溃过程中甲板各处应力的变化规律。[结果]实验结果表明:开口角隅处应力集中现象明显,随着轴向压缩载荷逐渐增大,开口中部甲板应力急剧上升,多开口结构最终均在最大开口的中部发生失稳破坏;甲板开口尺寸对结构初始轴向刚度的影响显著,舷侧开口结构则在弹塑性变形阶段对极限承载力的影响占主导地位。[结论]所提实验研究方法及结果可为此类甲板结构的设计提供参考。     

削斜筋板架的抗屈曲能力研究

根据CSR高级屈曲分析方法,运用有限元软件ABAQUS,研究削斜筋板架的屈曲能力,计算了5筋板架、小削斜筋板架、削斜筋板架以及4筋板架的屈服强度以及极限强度。结果表明：加强筋削斜后,加筋板屈服强度的下降比极限强度更明显;在纵向载荷条件下,承载能力随着加强筋的削斜而降低,而在横向载荷条件下,其极限强度没有明显下降。     

加筋板屈曲和极限强度有限元计算方法研究

针对国际船级社协会双壳油船共同结构规范中加筋板屈吐和极限强度的计算要求,介绍了其技术背景和国内外相关研究现状,并通过分析各种因素对加筋板屈曲和极限强度的影响,研究国外相关技术文献,提出了一套完整的加强筋屈曲和极限强度有限元计算方法。与共同结构规范中要求的对标数据进行对比,验证了该方法的正确性。     

CFRP修复含裂纹加筋板极限强度仿真研究

[目的]为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴修复含裂纹加筋板的极限强度,[方法]采用非线性有限元法对在轴向压缩载荷作用下的CFRP修复含裂纹加筋板的极限强度进行分析,基于CFRP修复含裂纹加筋板模型,对仿真结果与文献的试验结果进行比较,验证所提方法的准确性。以CFRP双面修复含裂纹加筋板为例,研究CFRP加筋板的极限强度,并对胶层剥离机理和胶层应力进行分析。[结果]结果表明,使用CFRP修复含裂纹加筋板后其极限强度得到了明显提高,且接近于含几何初始缺陷加筋板的极限强度;CFRP修复含裂纹加筋板的脱胶行为发生在极限强度之后。[结论]使用CFRP修复含裂纹损伤的加筋板可有效提高其极限承载能力,研究结果可为船舶与海洋工程结构修复提供参考。     

焊接变形和应力对甲板板架极限强度的影响

船舶建造过程中,焊接引起的结构变形和应力对船舶结构性能产生影响。以典型船舶甲板板架为例,研究焊接初始缺陷对甲板板架极限强度的影响。采用数值仿真方法模拟甲板板架的焊接过程,获得结构焊接变形和残余应力,对含初始缺陷的板架结构施加轴向压缩载荷,计算板架结构的极限强度,并与理想结构进行比较研究。结果表明,轴向压缩载荷下,甲板板变形过大是引起板架整体失稳的主要因素;焊接变形及残余应力显著地削弱甲板板架极限承载能力,焊接初始缺陷降低甲板板架整体刚度,影响结构失效模式。     

冰载荷对加筋板轴向压缩极限强度的影响

船舶在冰区航行时,将遭受浮冰的挤压,船舷侧部位的加筋板会受到冰载荷的作用。以单筋单跨加筋板为研究对象,采用非线性有限元法对冰载荷下加筋板轴向压缩极限强度进行分析。研究冰载荷的大小、加载区域面积和加载区域位置的不同对极限强度的影响规律。结果表明,冰载荷大小一定,冰载荷作用区域面积逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度随着面积的增加基本呈线性增加。冰载荷作用区域位置距离加筋板中心点距离逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度逐渐增加,且随着相对距离的增加,对加筋板轴向压缩极限强度的影响越来越大。这些结果可用于指导冰区船舶结构的设计以及维护。     

点蚀、裂纹损伤对船用加筋板剩余极限强度的影响

[目的]长期服役于恶劣海洋环境中的船舶与海洋工程结构,不可避免地会产生裂纹和点蚀,这些损伤会对结构的极限承载能力产生较大影响。为探讨裂纹、点蚀同时存在时对结构承载能力的影响,[方法]采用非线性有限元法开展含裂纹、点蚀损伤的加筋板在轴向压载作用下的极限强度研究。在讨论网格尺寸对含裂纹、点蚀损伤加筋板极限强度影响的基础上,开展裂纹点蚀坑相对位置、点蚀数目、裂纹长度对含裂纹、点蚀损伤加筋板剩余极限强度的影响。[结果]计算结果表明,裂纹长度、点蚀的增加会使加筋板的剩余极限强度下降明显。[结论]这些结果可用于指导全寿期船舶与海洋工程结构的设计与维护。     

含初始变形船体加筋板有效宽度及剩余极限强度研究

为了评估舰船结构损伤后的剩余强度,对船体加筋板出现初始几何变形后,参与总纵强度的有效宽度和加筋板剩余极限强度进行研究。将加筋板受到垂直于平面压力后的变形,作为其初始几何变形,改变变形的方向和大小,利用有限元软件Ansys对加筋板结构进行线性和非线性分析。定义了板有效宽度计算方法,对不同变形方向和变形幅值时板的有效宽度和加筋板的极限强度进行对比分析,并拟合得到了计算板有效宽度和加筋板极限强度的经验公式。结果表明,初始几何变形会削弱加筋板结构的强度。在对损伤后船体结构强度进行分析和校核时,提出的经验公式可以直接用来计算板的有效宽度和加筋板的极限强度。     

复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度研究

随着复合材料船舶建造尺寸越来越大,结构极限强度评估具有重要意义。本文基于后屈曲理论,通过渐进失效分析方法对复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度展开研究。首先通过与相关复合材料层合板试验及数值仿真结果进行对比,验证了本文渐进失效分析方法的准确性。然后,以复合材料夹层板架结构作为船舶上层建筑并考虑其受力特性,对具有初始缺陷且在轴向和侧向压力同时作用下的复杂受力状态的夹层板架结构进行计算,得到夹层板架结构的首层失效强度以及最终承载能力,并对失效位置做出预报。     

大开口双层板架模型屈曲失效简化方法研究

本文开展了含大开口结构的双层板架模型轴向受压稳定性实验,采用非线性有限元软件ABAQUS,建立了甲板大开口双层板架模型,开展了该模型在轴向压缩载荷作用下的屈曲失效过程的数值计算分析,数值计算结果和试验吻合较好。在此基础上,根据甲板结构屈曲失效诱因,将双层板架模型简化为单层板架局部模型,并分析了简化模型在轴向载荷作用下的屈曲破坏路径与极限承载能力。结果表明,简化后的加筋板模型能有效模拟双层板架模型的失效模式,为大开口甲板板架稳定性分析提供了新思路。     

初始缺陷对加筋板结构极限强度的影响研究

采用非线性有限元软件Ansys研究包含3种初始缺陷加筋板结构在单轴压缩载荷作用下极限强度的变化趋势,即初始变形、残余应力和凹陷。以单筋单跨加筋板模型为研究对象,考虑初始变形,不同半径及不同速度的撞击球所形成的凹陷及残余应力对加筋板极限强度的影响。结果表明,初始缺陷的存在降低了结构的极限承载力,而且缺陷的叠加作用比单独缺陷存在时对结构极限强度的影响大;加筋板的极限强度随着凹陷深度的加深而减小;3种初始缺陷中,残余应力相对于初始变形和凹陷对结构极限强度的削弱影响更大。     

初始缺陷对加筋板结构极限强度的影响研究

采用非线性有限元软件Ansys研究包含3种初始缺陷加筋板结构在单轴压缩载荷作用下极限强度的变化趋势,即初始变形、残余应力和凹陷.以单筋单跨加筋板模型为研究对象,考虑初始变形,不同半径及不同速度的撞击球所形成的凹陷及残余应力对加筋板极限强度的影响.结果表明,初始缺陷的存在降低了结构的极限承载力,而且缺陷的叠加作用比单独缺陷存在时对结构极限强度的影响大;加筋板的极限强度随着凹陷深度的加深而减小;3种初始缺陷中,残余应力相对于初始变形和凹陷对结构极限强度的削弱影响更大.     

单轴压缩下多开口甲板板架稳定性试验及数值仿真

为了揭示多开口设置对结构轴向受压稳定性的影响规律,文章设计并制作了甲板与舷侧同时布置开口的双层板架结构模型,并开展轴向受压极限承载能力试验。借助非线性有限元软件Abaqus对该模型的失稳破坏过程进行数值仿真计算,通过对比分析试验数据和数值计算结果,确定导致整个板架结构屈曲失效的主要原因,为相同类型甲板结构的稳定性设计提供了一定参考。