循環載荷下鋁質船舶加筋板極限強度影響因素研究

賀幸

摘 ?要：運用非線性有限元軟件ANSYS，研究鋁質船舶加筋板在單軸拉—壓循環載荷下的極限強度特性，重點討論鋁質加筋板熱影響區的分布方式、熱影響區的范圍大小、不同循環載荷歷程對鋁質加筋板極限強度的影響，所獲結果對鋁質加筋板的設計與制造具有一定的參考價值。

關鍵詞：循環載荷 ?鋁質加筋板 ?熱影響區 ?極限強度

船舶的總縱強度能否得到充分保證，直接關系到船舶自身乃至與其相關的生命、財產、環境的安全性。為確保船舶在其營運周期內足夠的總縱強度，首先要對其極限強度進行準確的評估，以了解其最大承載能力，進而指導前期的船舶設計與后期的運營管理。傳統上，船舶最大承載能力的評估都是以外彎矩使其發生一次性崩潰為出發點，沒有考慮真實存在的船體局部塑性破壞。與一次性崩潰理念相比，考慮多次外彎矩導致的船體塑性累積變形對極限強度的影響更加合理，即外彎矩不至于使船舶一次崩潰，但能讓應力水平達到材料屈服強度的局部構件產生塑性變形，在經歷多次此類彎矩作用后，由于局部塑性變形的不斷累積和擴展，使得截面抗彎剛度發生明顯下降，此時一次性崩潰理念所得的極限強度評估值將偏于危險。由于船舶加筋板是船體結構中最主要的承載構件，當它們隨船舶一起在惡劣海況中起伏時，其必然會承受壓縮和拉伸兩種載荷的循環作用。在遭遇多次循環過載后，塑性變形會產生累積，其面內極限強度必然會發生變化。因此，研究循環載荷下船舶加筋板的極限強度顯得尤為必要。

出于減輕船舶重量、提高船舶經濟性及其它使用性能的考慮，鋁質加筋板在船舶結構中也廣泛的作為承載構件而出現。由于材料熱力學性能的差異，相比于鋼材，焊接導致的熱影響區嚴重削弱了鋁材的力學性能，進而直接影響鋁質加筋板的極限承載能力。目前，擠壓成型的鋁質加筋板由于減少了焊接熱影響區對鋁質加筋板的不利影響，在工業制造領域受到了關注。但是，由于受擠壓模具的尺寸限制，擠壓成型鋁質帶筋板的大規模應用存在瓶頸，不能完全取代焊接制造的鋁質加筋板。本文運用非線性有限元軟件ANSYS對鋁質加筋板熱影響區的分布方式、熱影響區的范圍大小、不同循環載荷歷程對鋁質加筋板極限強度的影響進行了研究，所做研究具有一定的創新性。

鋁質加筋板的幾何尺寸與材料屬性

本文所取鋁質加筋板模型選用ISSC標定計算模型的幾何尺寸與材料屬性，見圖1。材料選用6082-T6鋁合金，其楊氏模量E=70475MPa，泊松比=0.3，非熱影響區材料屈服極限=260 MPa，熱影響區材料屈服極限=130 MPa，其材料性能曲線見圖2。

圖1 鋁質加筋板幾何模型及尺寸

圖2 非熱影響區與熱影響區材料性能曲線

鋁質加筋板有限元建模與邊界條件

采用非線性有限元軟件ANSYS對鋁質加筋板進行離散建模，選用shell143殼單元，所取單元尺寸滿足極限強度精度要求和節約計算機時的平衡。采用以下邊界條件：加筋板四條邊界簡支;兩加載邊界上所有節點在X方向上保持一致，兩非加載邊界上所有節點在Y方向上保持一致，以實現邊界的直線形式;兩加載邊界中點約束UY，兩非加載邊界中點約束UX，以限制剛體位移。有限元計算模型見圖3。

圖3 鋁質加筋板有限元計算模型

鋁質加筋板的初始變形

鋁質加筋板通常都具有初始變形，為了模擬鋁質加筋板的初始變形，本文采用的方法是在整塊鋁質加筋板的側面施加側壓，以模擬鋁質加筋板初始變形形狀及幅值。幅值的判斷標準是使加筋板節點的最大垂向位移達到2mm。雖然上述方法不是唯一標準，但是可以減輕研究者的工作難度，所以得到了采用。初始變形形成方法、模式及幅值見圖4。

圖4 初始變形形成方法、模式及幅值

鋁質加筋板熱影響區的分布

不同的建造及焊接方法使得鋁質加筋板的熱影響區分布有所區別。圖5顯示了不同的焊接建造方法所形成的鋁質加筋板，圖6顯示了熱影響區在板和加強筋上的分布范圍（熱影響區在筋上高度為25mm，在板上是前者兩倍為50mm）。

圖5 三種常見的焊接建造方法所形成的鋁質加筋板

圖6 熱影響區在板和加強筋上的范圍分布

循環載荷下鋁質加筋板極限強度研究

本節采用位移控制的方法，實現加筋板的循環計算。特設定7種計算工況，來討論熱影響區的分布方式、熱影響區的范圍大小、不同循環載荷歷程對鋁質加筋板極限強度的影響。見表1。

表1 加筋板循環載荷加載路徑（ε/εy）

注：所施加的循環載荷以壓為正，以拉為負。表中加載的應變值均為屈服應變的倍數。

1、熱影響區的分布方式對鋁質加筋板極限強度的影響

本節通過Case1、Case2和Case7的對比計算，研究了三種不同熱影響區分布方式的鋁質加筋板的極限強度，并且得到了單側循環下鋁質加筋板的典型循環滯回曲線（Case2），分別見圖7和圖8。

圖7不同熱影響區分布方式的鋁質加筋板的極限強度

圖8鋁質加筋板循環應力—應變曲線（Case2）

2、熱影響區的范圍大小對鋁質加筋板極限強度的影響

本節以模型HAZ-1為基準模型，改變鋁質加筋板熱影響區的范圍，使其沿加強筋高度方向的寬度從25mm，30mm增大至40mm，在板寬方向為上述值的兩倍。對比計算了Case2、Case3和Case4，可以得到不同熱影響區范圍大小的鋁質加筋板的極限強度，見圖9。

圖9不同熱影響區范圍大小的鋁質加筋板的極限強度

圖10不同循環歷程下鋁質加筋板的極限強度

3、不同循環歷程對鋁質加筋板極限強度的影響

對于循環載荷下鋁質加筋板的極限強度研究，循環歷程也是一個重要的影響因素。本節以模型HAZ-1為基準模型，選取了典型的三種循環歷程做了詳細的計算討論，即Case2、Case5和Case6。三種循環歷程所得的極限強度見圖10。同時可以得到Case5和Case6所對應的鋁質加筋板應力—應變曲線，見圖11和圖12。endprint

圖11 鋁質加筋板循環應力—應變曲線（Case 5）

圖12 鋁質加筋板循環應力—應變曲線（Case 6）

結論

本文運用有限元軟件ANSYS，對循環載荷下考慮熱影響區的鋁質加筋板極限強度進行了分析研究，主要得到以下結論：

由圖7可知，模型HAZ-2的極限應力值要明顯高于模型HAZ-1，這說明采用當前先進擠壓工藝而得的鋁質加筋板在避免熱影響區影響、提高加筋板極限強度性能上確實有很大的優勢。而隨著循環次數的增加，兩者的極限應力值在逐漸接近，這可能是因為在大應變循環后期，加筋板的極限強度主要與殘余的塑性變形有關，而熱影響區對它的影響在變小。

由圖8可知，隨著循環次數的增加，加筋板的極限強度值逐漸降低，并且卸載曲線和加載曲線之間的包絡面積在不斷增加，此種現象的發生主要是與結構的非線性彈性性質有關。

由圖9可知，熱影響區的范圍越大，對鋁質加筋板極限強度的性能有更不利的影響。所以優良的焊接工藝能夠明顯改善鋁質加筋板的極限強度力學性能。

由圖10可知，Case5所對應的循環下加筋板的極限強度下降最慢，而Case6所對應的循環下加筋板的極限強度下降最快，這說明加載的循環變形越大，其極限強度下降的越快。

由圖11和圖12可知，隨著循環次數的增加，加筋板的應力應變曲線逐漸趨于同一型式的滯回曲線。這說明隨著循環次數的增加，加筋板的力學性能特征越來越趨于穩定。

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（作者單位：九江市地方海事局）endprint