雙殼艙段模型極限強(qiáng)度試驗(yàn)研究

伍友軍 萬 琪 郭建捷 朱 凌

(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院1) 上海 200011) (武漢理工大學(xué)交通學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度是度量船體結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下的安全性與可靠性的重要指標(biāo).隨著國內(nèi)外持續(xù)不斷的研究，現(xiàn)在關(guān)于如何準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船體的結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，除了采用簡化方法和非線性有限元法預(yù)報(bào)外，模型試驗(yàn)的研究方法在極限強(qiáng)度研究領(lǐng)域也有著不可替代的作用[1].極限強(qiáng)度試驗(yàn)屬于破壞性試驗(yàn)，與其它設(shè)計(jì)物不同，船舶的尺寸大、造價(jià)高，一般情況下不可能進(jìn)行實(shí)船極限強(qiáng)度試驗(yàn)，主要是對實(shí)船按一定的相似比建立相似模型進(jìn)行縮比試驗(yàn)為主.近年來國內(nèi)的高校及科研院所進(jìn)行了一列的極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)，湯紅霞等[2]對小水線面雙體船模型進(jìn)行橫向極限強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，然后利用非線性有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析；王佳穎等[3]針對已運(yùn)用在國外艦船上但研究不夠充分的新型結(jié)構(gòu)型式縱向箱型梁的艙段模型進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn)；師桂杰等[4]通過縮尺比模型實(shí)驗(yàn)評(píng)估船體梁在波浪作用下的后屈曲極限強(qiáng)度特性并得到船體箱型梁縮尺比模型的崩潰彎矩等.受限于模型尺寸和施工工藝要求，這些試驗(yàn)?zāi)Ｐ投酁閱螝つＰ停瑯O少有采用雙殼縮比模型進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn).

極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)一方面可以直觀的觀察船體結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下的崩潰過程，試驗(yàn)結(jié)果對于數(shù)值分析的方法提供了一個(gè)真實(shí)可靠的驗(yàn)證途徑；另一方面通過與非線性有限元計(jì)算結(jié)果的對比，期待通過互補(bǔ)性的分析得到能夠?qū)烧叩念A(yù)報(bào)精度都有提高的有效措施，從而提高實(shí)船極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)的可靠性.

1 鋼制相似模型的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行艙段模型試驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)該確定目標(biāo)船的危險(xiǎn)剖面，針對有平行中體的船，一般選取船中艙段進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn)即可，針對沒有平行中體的船，需要采用Smith方法或者非線性有限元方法對全船范圍內(nèi)典型剖面的極限承載能力進(jìn)行計(jì)算[5]，然后再參照規(guī)范中關(guān)于剖面極限強(qiáng)度的要求篩選出極限強(qiáng)度儲(chǔ)備裕量最薄弱的剖面位置，一般選擇危險(xiǎn)剖面所在艙段進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn).危險(xiǎn)剖面的確定過程不做展開.

模型試驗(yàn)艙段確定后，綜合考慮試驗(yàn)場地、加載能力及經(jīng)費(fèi)等因素，盡可能的選擇大比尺的相似模型進(jìn)行極限強(qiáng)度試驗(yàn).小比尺的模型會(huì)使試驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸すに囍贫ɡщy，且局部構(gòu)件需采用塞焊的形式進(jìn)行焊接，在模型加工過程中容易引起應(yīng)力集中、焊縫強(qiáng)度不足以及焊縫堆積等問題.結(jié)合試驗(yàn)條件及以往的模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，目標(biāo)船最終確定厚度比為5∶1，線尺度比為14∶1.由薄壁結(jié)構(gòu)推導(dǎo)的模型設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足的相似準(zhǔn)則這里不做展開，實(shí)船剖面與模型剖面之間應(yīng)滿足如下的相似比：

CI=CL3Cδ

式中：CI為實(shí)船剖面與模型剖面的慣性矩之比；CL為實(shí)船剖面與模型剖面的幾何尺寸相似比；Cδ為實(shí)船剖面與模型剖面的板厚相似比.

由于相似理論是建立在彈性理論的基礎(chǔ)之上的，所以滿足相似準(zhǔn)則的模型只能保證兩模型在彈性階段的相似性，而極限強(qiáng)度問題涉及到眾多非線性因素的影響，為了更真實(shí)地反映實(shí)船結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度與失效模式，仍保持原有的雙層底與雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，盡可能大的保持試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)船結(jié)構(gòu)型式的相似，艙段模型試驗(yàn)段中強(qiáng)框架仍參照實(shí)船的間距進(jìn)行縮尺布置，主要對實(shí)船中的縱桁、縱骨進(jìn)行簡化，在保證剖面特性基本滿足換算條件的前提下，等效成模型中的梁構(gòu)件.考慮到便于模型加工及保證骨材與板的有效焊接，相似模型的縱骨都采用扁鋼形式，內(nèi)底及內(nèi)殼縱骨采用外翻的形式與內(nèi)底板及內(nèi)殼板焊接，保證雙殼構(gòu)件之間的有效連接，在強(qiáng)框架處采用肘板支撐，模擬雙殼縱向骨材在強(qiáng)框架處的支撐情況.根據(jù)實(shí)船構(gòu)件的尺寸與相似比尺，經(jīng)多次試算后，確定了模型構(gòu)件的尺寸，見圖1.試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋M向強(qiáng)框架結(jié)構(gòu)形式見圖2.

圖1 橫剖面圖

圖2 模型橫向強(qiáng)框架圖

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O限強(qiáng)度數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型剖面設(shè)計(jì)的合理性和可行性，選取簡化模型和實(shí)船進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)行相似性的分析與驗(yàn)證[6].為了能夠讓試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蚩煽康胤从硨?shí)船剖面的極限彎曲能力，就需要在直接縮比模型的基礎(chǔ)之上調(diào)整模型剖面中縱向骨材的尺寸及間距，從而使得試驗(yàn)?zāi)Ｐ推拭嬖诎l(fā)生極限強(qiáng)度破壞時(shí)能夠具有與實(shí)船剖面相同的破壞模式.

優(yōu)良的試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)船應(yīng)在應(yīng)力分布、極限承載能力和破壞模式上具有較高的一致性.下面是試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)船在三個(gè)方面的驗(yàn)證結(jié)果.

2.1 應(yīng)力分布驗(yàn)證

在彈性階段，通過施加一個(gè)較小的中垂彎矩，保證實(shí)船有限元模型和試驗(yàn)段有限元模型都處于線彈性范圍內(nèi)，實(shí)船有限元模型施加的彎矩為5×1011N·mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷募虞d彎矩為5.1×108N·mm.為了考察和對比關(guān)鍵位置的應(yīng)力，選取中間強(qiáng)框架間三個(gè)位置沿船長方向的應(yīng)力值作為校核點(diǎn)，包括1甲板，內(nèi)底板，外底板，比較值見表1.由表1可知，三個(gè)校核點(diǎn)沿船長方向的應(yīng)力誤差都較小，這說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)船在彈性階段的應(yīng)力分布有很好的相似性.

表1 實(shí)船與模型彈性階段對應(yīng)校核點(diǎn)的應(yīng)力比較

施加一個(gè)較大的中垂彎矩，使實(shí)船有限元模型與試驗(yàn)段有限元模型均進(jìn)入塑性階段，通過比較兩模型的非線彈性階段的應(yīng)力分布，驗(yàn)證相似模型與實(shí)船艙段在非彈性階段應(yīng)力分布的相似性.對應(yīng)彎矩下實(shí)船與模型進(jìn)入塑性階段后的等效應(yīng)力分布見圖3，此時(shí)實(shí)船的加載彎矩為1.52×1012N·mm，根據(jù)換算關(guān)系，對應(yīng)模型的加載彎矩為1.55×109N·mm.由圖3可知，兩者的應(yīng)力分布基本一致，這說明模型在進(jìn)入塑性階段一定程度上仍能較好地反映實(shí)船結(jié)構(gòu)的載荷分布及破壞模式.

圖3 非彈性階段Mises等效應(yīng)力分布

2.2 極限承載能力驗(yàn)證

分別計(jì)算選取的實(shí)船艙段與試驗(yàn)?zāi)Ｐ团摱蔚闹写箻O限承載能力，中垂破壞下結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度值對比見表2.由表2可知，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹写箻O限彎矩進(jìn)行相似換算后與實(shí)船的中垂極限彎矩值十分接近，誤差僅為3.17%，表明試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诜从硨?shí)船艙段中垂極限強(qiáng)度方面具有較高的精度.

表2 實(shí)船與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭写箻O限承載能力比較

2.3 破壞模式驗(yàn)證

當(dāng)中垂彎矩逐漸增大時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐哪Ｊ脚c實(shí)船有限元模型基本一致，最大破壞變形出現(xiàn)在艙段中間3肋距強(qiáng)橫框架間離中和軸最遠(yuǎn)的1甲板區(qū)域，驗(yàn)證了相似模型在反映實(shí)船中垂破壞模式方面的有效性.模型及實(shí)船破壞應(yīng)力云圖見圖4.

圖4 中垂破壞應(yīng)力云圖

3 模型試驗(yàn)方案

3.1 整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)裝置對艙段模型進(jìn)行純彎曲試驗(yàn)，來模擬船體梁的總縱彎曲狀態(tài).首先將船體梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢啥酥糜趦蓚€(gè)支座上(簡支)，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳烤嘧蠖?.2 m處與距右端2.2 m處各布置一個(gè)液壓千斤頂，千斤頂上部頂著橫梁，下部通過加載模塊對模型施加均布載荷，加載模塊下設(shè)有強(qiáng)橫艙壁結(jié)構(gòu)，組成施力裝置.整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀稍囼?yàn)段、兩個(gè)過渡段和兩端的加載端組成，整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d示意見圖5,整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D6.

過渡段的板厚取略大于試驗(yàn)段的板厚，以保證在傳遞載荷過程中試驗(yàn)段模型最先發(fā)生破壞.加載段的長度由試驗(yàn)室的加載能力和試驗(yàn)段的極限承載能力確定.

圖5 整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d示意圖

圖6 整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

3.2 模型加工

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的精度，結(jié)合大量的模型加工經(jīng)驗(yàn)，在施工過程中采用了如下措施和工藝流程.

1) 所有構(gòu)件加工盡量采用剪切或折邊，少用割刀和焊接.

2) 對殼體部件和內(nèi)部框架進(jìn)行預(yù)制和校正，選擇恰當(dāng)?shù)难b配程序，在平臺(tái)上固定組裝，并嚴(yán)格控制焊接程序.

3) 線型放樣及框架組裝嚴(yán)格定位，焊縫在滿足可靠連接、有效傳力的前提下盡量減少焊腳高度，同時(shí)選用高效焊條并采用較低焊接電流.

4) 所有構(gòu)件拼裝過程中的每一道工序都進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，避免反復(fù)焊接.

3.3 模型應(yīng)變片布置

模型試驗(yàn)加載為垂直甲板向下加載，測試模型的中垂極限彎矩.中垂情況下模型發(fā)生破壞的部分集中在船舯甲板和舷頂列板附近處，且舷側(cè)處的應(yīng)變片可以測量舷側(cè)應(yīng)力隨外載荷的變化，從而確定橫剖面中性軸位置的變化，因此，在較可能發(fā)生破壞的5個(gè)橫剖面處的甲板、舷側(cè)以及船底沿船長方向布置單向應(yīng)變片，其中甲板與舷側(cè)的應(yīng)變片布置較密，主要布置在板格上.其中一個(gè)橫剖面處的典型應(yīng)變片布置位置見圖7，另外，在船底中心位置與加載處設(shè)置3個(gè)位移計(jì)，用于測量模型的垂向變形.

圖7 應(yīng)變片布置圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 破壞模式分析

按照既定的載荷工況設(shè)計(jì)逐步加載，加載至1 145 kN時(shí)模型發(fā)生崩潰.初始階段，加載載荷與模型中心位移及甲板應(yīng)變的線性關(guān)系很好，加載載荷達(dá)到6 30 kN左右時(shí)，較弱的橫骨架式2甲板結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲破壞，產(chǎn)生較大變形，試驗(yàn)過程中可聽到內(nèi)部破壞變形的聲音；當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí)，此時(shí)1甲板開始出現(xiàn)局部屈曲破壞，并且不斷地向舷側(cè)方向擴(kuò)展.液壓筒載荷稍微增加，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膿隙戎笛杆僭龃螅覝y點(diǎn)應(yīng)變顯著增加，甚至出現(xiàn)溢出現(xiàn)象.說明此時(shí)結(jié)構(gòu)已達(dá)到極限狀態(tài)，對應(yīng)的中垂彎矩即為結(jié)構(gòu)中垂?fàn)顟B(tài)下的極限承載能力.試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到極限時(shí)的破壞變形見圖8.破壞發(fā)生在試驗(yàn)段的第二檔強(qiáng)框附近，與圖4b)有限元分析的結(jié)果一致，說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诳v向構(gòu)件縮尺相似的基礎(chǔ)上，保持原有的雙殼結(jié)構(gòu)能夠較好地反映實(shí)船的結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系.

圖8 試驗(yàn)?zāi)Ｐ推茐淖冃螆D

4.2 材料及初始變形的影響分析

由于鋼材生產(chǎn)廠家只規(guī)定了鋼材的最小屈服強(qiáng)度，實(shí)際屈服強(qiáng)度都比鋼材的標(biāo)號(hào)值高一些，無法準(zhǔn)確知道母型船鋼材的實(shí)際屈服強(qiáng)度.為了準(zhǔn)確計(jì)算試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某休d能力，通過板厚3 mm標(biāo)準(zhǔn)試件的單向拉伸試驗(yàn)，得到本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ图庸に捎玫腁H32鋼材的屈服點(diǎn)為358.4 MPa，實(shí)船采用的為屈服限位235 MPa的普通鋼.

對兩種材料的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行非線性有限元計(jì)算，從而基于兩種材料參數(shù)對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O限彎矩值確定材料因素的換算系數(shù)fm，即

fm=M235 MPa/M235 MPa=1.656/2.266=0.73

0.73>235/358.4=0.656

式中：M235 MPa為材料屈服限為235 MPa對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ头蔷€性有限元極限承載能力計(jì)算結(jié)果；M235 MPa為材料屈服限為358.4 MPa對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ头蔷€性有限元極限承載能力計(jì)算結(jié)果.上式計(jì)算說明通過簡單的屈服強(qiáng)度比值進(jìn)行材料參數(shù)的換算并不準(zhǔn)確，忽略了非線性因素所存在的影響，偏于保守.根據(jù)不同屈服強(qiáng)度材料的實(shí)際極限彎矩比較才能計(jì)入各種因素的影響，結(jié)果更為準(zhǔn)確.

另外，盡管試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀休^高的焊接質(zhì)量，但是模型還是存在一定初始缺陷，包括初始幾何變形和焊接殘余應(yīng)力.由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏甲冃吻闆r非常復(fù)雜，很難準(zhǔn)確測量，不能把完全真實(shí)的變形情況反映在有限元模型之中.在有限元分析中模擬初始變形時(shí)，引入前幾階屈曲模態(tài)，給出變形幅值，近似地作為模型的初始變形，變形幅值取測量模型板格的最大變形3 mm，作為試驗(yàn)段模型的初始變形.根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵氤跏既毕菀院蟮姆蔷€性有限元計(jì)算結(jié)果與原計(jì)算結(jié)果的比較見表3.

表3 初始缺陷對中垂極限強(qiáng)度的影響

由表3可知，初始缺陷對完整結(jié)構(gòu)的極限承載能力影響較小，在3%以內(nèi).說明本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮附淤|(zhì)量較好，初始變形控制在3 mm以內(nèi)，當(dāng)初始變形較小時(shí)，初始變形更多的是改變結(jié)構(gòu)的破壞模式，對實(shí)際承載能力影響并不顯著.

4.3 實(shí)船極限承載能力預(yù)報(bào)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果換算得到的實(shí)船艙段中垂極限承載能力，并與實(shí)船非線性有限元預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表4，換算得到的中垂極限強(qiáng)度值與基于實(shí)船艙段模型有限元分析結(jié)果的誤差僅為1.34%，說明在計(jì)算實(shí)船艙段極限彎矩值所采用的非線性有限元方法可以很好地滿足工程應(yīng)用與需求.在驗(yàn)證了數(shù)值分析以及相似模型設(shè)計(jì)合理性的同時(shí)，也基于試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確地考察與評(píng)估目標(biāo)船體結(jié)構(gòu)的極限承載能力，并為今后雙殼結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供一定的參考.

表4 實(shí)船與模型中垂極限強(qiáng)度換算比較

5 結(jié) 論

1) 相似理論是建立在彈性理論的基礎(chǔ)之上的，要提高極限強(qiáng)度試驗(yàn)的精度，應(yīng)盡可能的模擬實(shí)船的結(jié)構(gòu)型式，對于雙殼船型，在試驗(yàn)條件允許的情況下應(yīng)盡量保持其雙殼結(jié)構(gòu)型式.

2) 橫向構(gòu)件的布置會(huì)對模型的極限強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，因此模型試驗(yàn)中仍按照實(shí)船的強(qiáng)框架布置較為合理，更能反映實(shí)際的破壞過程.

3) 較好的焊接質(zhì)量情況下，初始缺陷對極限強(qiáng)度的影響較小.

4) 相似模型試驗(yàn)結(jié)果換算得到的中垂極限強(qiáng)度值與基于實(shí)船艙段模型有限元分析結(jié)果的誤差僅為1.34%，說明在計(jì)算實(shí)船艙段極限彎矩值所采用的非線性有限元方法可以很好地滿足工程應(yīng)用與需求.