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。     

循环载荷下铝质船舶加筋板极限强度影响因素研究

运用非线性有限元软件ANSYS,研究铝质船舶加筋板在单轴拉—压循环载荷下的极限强度特性,重点讨论铝质加筋板热影响区的分布方式、热影响区的范围大小、不同循环载荷历程对铝质加筋板极限强度的影响,所获结果对铝质加筋板的设计与制造具有一定的参考价值。     

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。     

冰载荷空间分布对舷侧结构响应的影响

极区船舶与浮冰发生碰撞时,冰载荷压力并不均匀,主要分布于结构与浮冰接触的中心区域,这与冰区加强区域结构设计和强度校核采用均布压力作为设计载荷并不一致.参考真实压力分布,以实测压力分布形式离散模拟冰载荷,形成考虑空间分布的冰载荷加载方法.建立舷侧结构有限元模型,分别以均布和考虑空间分布的离散方式将基于能量法计算所得冰载荷作用于舷侧,同时考虑不同浮冰形状和作用位置对空间分布的影响.结果 表明,冰载荷的空间分布对结构响应结果的影响较大,其中浮冰形状为楔形,且作用位置为板格中心的加载工况最为显著.研究过程与结论可为极区船舶设计考虑船冰相互作用时的冰载荷加载方式提供参考.     

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。     

模型范围对加筋板极限强度计算的影响分析

采用Ansys分析模型范围对加筋板极限强度的影响,对比计算表明:单轴压缩载荷作用下,采用3种模型范围计算加筋板极限强度均能得到较好结果;双轴压缩载荷作用下,三弯单跨模型与双弯双跨模型计算结果吻合较好,单弯单跨模型计算结果比上两种模型范围结果偏大10%。     

关于海船船体总强度准则的一个新见解

  目的  为提高船体加筋板极限承载性能非线性数值模拟的准确性,研究理想弹塑性、各向同性强化及循环塑性Chaboche材料模型对加筋板极限状态时的塑性屈服分布及压缩、拉伸极限强度的影响。  方法  针对某同一尺寸加筋板,采用ANSYS软件开展轴向循环压缩、循环压缩−拉伸载荷下的极限承载性能非线性有限元数值模拟。  结果  结果显示,不同的材料属性对加筋板极限承载性能及极限状态时的塑性屈服分布具有显著影响;在开展船体加筋板极限承载性能非线性有限元数值模拟时,需要根据不同的载荷形式选择恰当的材料模型。  结论  所得结果对进一步研究船体结构在循环载荷作用下的极限强度特性及累积塑性破坏机理具有一定的参考价值。     

基于船冰碰撞的含凹陷损伤加筋板极限强度研究

为研究基于船冰碰撞的含凹陷损伤加筋板的极限强度,结合Derradji-Aouat各向同性三维失效准则和弹脆性破坏模式,提出基于线弹性的多表面失效海冰本构模型。利用Ls-dyna二次开发技术,编译生成相应的求解器。通过与球形冰撞击刚性板和柱形冰撞击船体舷侧板架仿真对比分析,验证了基于线弹性多表面失效海冰动力本构模型更加适用于船冰碰撞问题的研究。利用Ls-dyna模拟海冰与船体加筋板碰撞,并将含凹陷损伤加筋板模型导入Ansys中进行加筋板剩余极限强度的计算,得到考虑凹陷影响的加筋板极限强度。结果表明,凹陷对加筋板极限强度的衰减主要体现在凹陷面积,并且凹陷面积和深度对加筋板极限强度的衰减作用随着面积和深度的增加而逐步减弱。     

循环载荷下船体板极限承载性能研究

研究船体板在轴向循环压缩载荷下的极限承载性能,对于保障船舶的总纵强度安全具有重要意义。本文运用系列方柱试件模拟船体板构件,对其在轴向循环压缩下的极限承载能力进行了试验研究,并运用非线性有限元方法对其中两个试件进行了数值分析。研究表明,船体板一次性崩溃压缩极限强度是循环压缩载荷下船体板极限强度的最大值,基于一次性崩溃理念的船体结构极限强度评估可能偏于危险。     

复合材料胶接修补金属裂纹板的应力强度因子研究

  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。     

玄武岩纤维复合材料层合加筋板轴向动力压缩破坏分析

基于通用有限元软件,结合复合材料失效准则对玄武岩纤维复合材料层合加筋板在轴向动力压缩载荷作用下的破坏问题进行了研究,并比较了玄武岩纤维复合材料层与S-2玻璃纤维增强复合材料帽形层合加筋板轴向动力压缩破坏的差异.研究结果表明,玄武岩纤维复合材料层合加筋板具备与S-2玻璃纤维复合材料层合加筋板相当的轴向压缩性能.本研究可以为选用玄武岩纤维作为高速舰船船体材料提供参考依据.     

基于J积分的含裂纹加筋板在单轴拉伸载荷下的极限强度计算

为研究含裂纹加筋板的极限拉伸强度,本文建立一系列不同长细比、不同裂纹长度、不同裂纹位置的含裂纹加筋板有限元模型,并基于J积分理论对其在单轴拉伸载荷下的极限强度进行了计算。结果发现含裂纹加筋板极限拉伸强度随加筋板长细比的增大略有减小,但减小的程度并不明显;含裂纹加筋板极限拉伸强度随裂纹长度的增大而减小,且减小的幅度逐渐增大;加强筋上的裂纹对含裂纹加筋板极限强度的影响小于底板上的裂纹,而裂纹同时出现在底板和加强筋上时对含裂纹加筋板极限拉伸强度的影响最大。表明含贯穿型裂纹的加筋板在单轴拉伸载荷下的剩余强度对加筋板长细比不敏感,而对裂纹长度较为敏感。     

A study on scantling formulae of plate members due to lateral pressure under the effect of axial loads

Existing rule scantling formulae of plate members are based on conventional plastic design theory, and do not necessarily reflect complicated plate bending phenomena under axial loads. In this study, we first formulated the effect of axial load on the fully plastic moment based on the von Mises yield criterion for longitudinally stiffened plate in addition to the well-known formula for transversely stiffened plate. In addition, we derived a theoretical formulation of the lateral pressure corresponding to 2-point hinge and 3-point hinge formation taking account of the effect of the additional lateral force due to the axial loads on the deflected plating, using a simple plate strip bending model assuming a long plate with a large aspect ratio.Then, a series of elastic-plastic FE analyses was carried out to verify the structural behavior and the effect of axial load on the plate plastic bending strength. The plate strength was evaluated based on the residual deflection criteria of two cases (0.26 mm and 4.0 mm), and the results were compared with the theoretical derivation. As a result, it was found that assumption of linear strength reduction to the axial stress can cover the transversely stiffened plate under compressive axial stress conservatively. As to the transversely stiffened plate under tensile axial stress and the longitudinally stiffened plate, the strength reduction was in accordance with the reduction in the fully plastic moment based on the von Mises yield criterion in the conservative side. Finally, based on the findings, the required plate thickness coefficients were proposed on an empirical basis both for transversely and longitudinally stiffened plate under compressive and tensile axial loads.     

加筋板低周疲劳寿命和累积塑性应变模型

为分析加筋板结构累积塑性破坏的影响,应用损伤力学基础理论,并结合筋板相互影响系数,以塑性应变为损伤演化的控制参量,推导并建立加筋板结构低周疲劳累积递增塑性应变模型和低周疲劳寿命模型。将加筋板在循环载荷下的疲劳损伤变量引入累积递增塑性应变方程中,通过积分变换,推导出循环载荷下船舶加筋板结构轴向累积塑性应变的演化方程及其低周疲劳寿命本构模型;采用船舶通用高强度402钢相关材料疲劳特性参数对船舶加筋板结构低周疲劳寿命模型进行对比分析;将塑性应变发展理论模型与有限元计算结果进行比较,分析平均应力和筋条刚度比对累积塑性应变的影响规律。结果表明,该模型较好地反映了船舶加筋板结构的轴向累积塑性应变演化规律,同时能方便地对船舶结构低周疲劳强度进行评估、校核。     

循环荷载作用下加筋板格单元的损伤累积及力学模型研究

为了计算加筋板和船体梁在循环荷载作用下的极限强度,将一种能够考虑损伤累积和构件局部屈曲的一维钢材等效本构模型引入到加筋板格单元中,提出加筋板格单元在轴向循环荷载作用下的损伤累积力学模型,采用Visual Basic程序编制了计算程序,对若干加筋板格单元在双向轴向循环荷载作用下的承载性能进行计算研究,并使用非线性有限元软件Abaqus进行对比验证,结果表明所提理论方法具有较好的精度。     

水下爆炸条件下自由场压力载荷时频特征分析

  目的  加筋板结构参数对其抗水下爆炸性能有重要影响,需要对加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的具体影响进行分析。  方法  基于耦合欧拉−拉格朗日（CEL）方法开展数值模拟研究,分析加筋板结构参数对结构抗爆性能的影响。基于加强筋在水下爆炸载荷作用下的吸能规律,引入系数来表征加强筋的影响程度,提出一种考虑加强筋系数的等效厚度计算方法。  结果  对加筋板抗水下爆炸能力影响显著的3个因素分别是加强筋高度、面板厚度和加强筋厚度,翼板厚度影响较小。在结构质量改变量相同的情况下,横/纵向加强筋高度对加筋板破口面积的影响是翼板厚度的2.5倍,面板厚度和横/纵向加强筋腹板厚度对破口面积的影响是翼板厚度的2倍。随着加强筋高度、加强筋数目、加强筋厚度等参数的增加,加筋板结构强度和抗水下爆炸能力增强,损伤程度减小。采用考虑加强筋系数的等效厚度计算方法得到的相关性系数为−0.94,该方法能较好地反映加筋板抗水下爆炸的能力。  结论  研究结果可以作为舰船结构抗水下爆炸载荷评估的基础,为舰船抗爆结构设计提供参考。     

A Simplified Model for the Effect of Weld-Induced Residual Stresses on the Axial Ultimate Strength of Stiffened Plates

The present work investigates the compressive axial ultimate strength of fillet-welded steel-plated ship structures subjected to uniaxial compression, in which the residual stresses in the welded plates are calculated by a thermo-elasto-plastic finite element analysis that is used to fit an idealized model of residual stress distribution. The numerical results of ultimate strength based on the simplified model of residual stress show good agreement with those of various methods including the International Association of Classification Societies (IACS) Common Structural Rules (CSR), leading to the conclusion that the simplified model can be effectively used to represent the distribution of residual stresses in steel-plated structures in a wide range of engineering applications. It is concluded that the widths of the tension zones in the welded plates have a quasi-linear behavior with respect to the plate slenderness. The effect of residual stress on the axial strength of the stiffened plate is analyzed and discussed.     

基于裂纹最大张口位移的加筋板弹塑性断裂分析

为了快速方便地求取船舶加筋板塑性性能的两个重要参数—裂纹尖端塑性区半径（Ry）和裂纹尖端张开位移（CTOD）,文章提出了一种基于裂纹最大张口位移（MCOD）来确定加筋板的裂纹尖端塑性区半径和裂纹尖端张开位移的简便方法。该法基于理想弹塑性材料,以提出的裂纹最大张口位移与裂纹尖端塑性区半径及裂纹尖端张开位移的拟合函数关系为基础,考虑了模型尺寸效应、材料特性参数及外载荷的影响。文中还对不同裂纹长度、不同屈服极限条件、不同板/筋刚度比时方法的适用性进行了分析,研究表明：该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外载荷等因素的影响,适用于有限宽船舶加筋板的弹塑性分析。     

焊接诱导的残余应力对加劲板轴向极限强度影响的简化模型研究（英文）

The present work investigates the compressive axial ultimate strength of fillet-welded steel-plated ship structures subjected to uniaxial compression, in which the residual stresses in the welded plates are calculated by a thermo-elasto-plastic finite element analysis that is used to fit an idealized model of residual stress distribution. The numerical results of ultimate strength based on the simplified model of residual stress show good agreement with those of various methods including the International Association of Classification Societies(IACS) Common Structural Rules(CSR), leading to the conclusion that the simplified model can be effectively used to represent the distribution of residual stresses in steel-plated structures in a wide range of engineering applications. It is concluded that the widths of the tension zones in the welded plates have a quasi-linear behavior with respect to the plate slenderness. The effect of residual stress on the axial strength of the stiffened plate is analyzed and discussed.