大尺寸薄壁加筋鋼結(jié)構(gòu)承載板試驗(yàn)評(píng)估及數(shù)值仿真

李敏堂， 楊雪峰， 常 健， 隋傳劍， 尤 健， 陳 業(yè)

(陸軍軍事交通學(xué)院，天津 300161)

坦克、裝甲車和軍用車輛等軍事裝備的海上輸送，單靠軍用運(yùn)輸艦船無(wú)法滿足戰(zhàn)時(shí)的運(yùn)力需求，動(dòng)員利用民用運(yùn)輸船一直是發(fā)達(dá)國(guó)家軍隊(duì)?wèi)?zhàn)時(shí)實(shí)施軍事裝備海上輸送的主要形式。為充分利用集裝箱船實(shí)施軍事裝備海上運(yùn)輸，國(guó)內(nèi)新研制了一種海運(yùn)裝載架，可利用集裝箱船艙內(nèi)的格柵式導(dǎo)軌進(jìn)行固定，不需要對(duì)載運(yùn)船舶進(jìn)行任何改裝。海運(yùn)裝載架利用可擴(kuò)展的承載板增加裝載空間，便于大件或多件軍事裝備的裝載。承載板結(jié)構(gòu)上要達(dá)到高承載要求，自重又要盡可能輕，因此其結(jié)構(gòu)力學(xué)分析尤為重要。

承載板是一種大尺寸薄壁鋼結(jié)構(gòu)物，采用薄鋼板焊接而成，其縱向跨度較大，在載運(yùn)狀態(tài)時(shí)受到載重和自重的靜載荷以及外界激勵(lì)產(chǎn)生的動(dòng)載荷作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性的分析計(jì)算，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，保證運(yùn)輸安全。薄壁鋼結(jié)構(gòu)通常采用加筋設(shè)計(jì)，可以在不增加結(jié)構(gòu)斷面尺寸的前提下有效改善結(jié)構(gòu)總體和局部的力學(xué)性能，達(dá)到輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的[1-3]。加強(qiáng)筋的布局、形狀和尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響著結(jié)構(gòu)的重量與性能，是薄壁鋼結(jié)構(gòu)加筋設(shè)計(jì)中需綜合考慮的因素。近年來(lái)，薄板加筋結(jié)構(gòu)受到了國(guó)內(nèi)外研究者的重視，并相繼提出了一些有效的分析方法，比如均勻化方法、密度法、水平集法、自適應(yīng)成長(zhǎng)方法等[4-8]。但上述方法以仿真為主，缺乏相關(guān)試驗(yàn)評(píng)估，與實(shí)際應(yīng)用通常會(huì)有一定差別。本文運(yùn)用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法，對(duì)承載板這種大尺寸薄壁加筋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)體樣機(jī)的試驗(yàn)評(píng)估和力學(xué)模型的數(shù)值仿真，有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)了承載板結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足了承載性能要求。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及載荷

承載板按平臺(tái)式集裝箱標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為12.192 m，寬度為2.438 m，高度為0.59 m，設(shè)計(jì)承載能力為40 t，自身重量設(shè)計(jì)要求為不超過(guò)5 t。由于承載板在長(zhǎng)度方向上跨度大，約束形式為兩端簡(jiǎn)支，且主要承受垂直載荷，因此在長(zhǎng)度方向上采用魚腹式設(shè)計(jì)，即兩端薄中間厚的結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮魚腹梁抗彎能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

承載板沿橫向、縱向中心線均對(duì)稱，并按ISO集裝箱的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置8個(gè)角件，中部設(shè)置叉車孔。主體結(jié)構(gòu)包括上蓋板、縱梁、橫梁、U形加強(qiáng)梁等，如圖1所示。上蓋板為平直鋼板；4根縱梁和10根橫梁均采用工字梁結(jié)構(gòu)，兩邊縱梁采用等截面設(shè)計(jì)，中間兩根縱梁采用魚腹梁變截面結(jié)構(gòu)形式；橫向設(shè)置撐板，與縱梁拼焊成底部敞開的箱形橫梁；承載板中部的上蓋板下面設(shè)置U形加強(qiáng)梁，以增強(qiáng)上蓋板的局部抗彎能力。承載板除角件外，全部采用低合金鋼材料。

圖1 1/2承載板結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)評(píng)估

為評(píng)估承載板初期結(jié)構(gòu)方案能否達(dá)到設(shè)計(jì)承載能力要求，對(duì)其1∶1實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能加載試驗(yàn)。承載板采用Q345B材料制作，材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，抗壓強(qiáng)度為560 MPa，該材料綜合力學(xué)性能良好。由于承載板主要承受垂直載荷，考慮到海上運(yùn)輸時(shí)船舶運(yùn)動(dòng)和風(fēng)浪的影響，按垂直動(dòng)載荷系數(shù)Kv=2進(jìn)行強(qiáng)度校核。模擬載荷為局部均布載荷，其作用區(qū)域如圖2所示。承載板的兩端通過(guò)鋼制方箱簡(jiǎn)支，撓度測(cè)量采用激光撓度儀，測(cè)量點(diǎn)為上蓋板中部，見(jiàn)圖中A點(diǎn)。在承載板的中部側(cè)面粘貼應(yīng)變片，通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行加載時(shí)的應(yīng)力測(cè)試，圖中B點(diǎn)為應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)之一。

圖2 試驗(yàn)載荷工況

對(duì)承載板進(jìn)行模擬加載，加載過(guò)程中進(jìn)行了撓度和應(yīng)力測(cè)量。載荷從零開始緩慢增加，進(jìn)行80 t靜載考核。但當(dāng)加載到60 t時(shí)，承載板發(fā)生較大變形，上蓋板位于叉車孔附近區(qū)域的鋼板出現(xiàn)波浪狀扭曲，發(fā)生屈曲破壞，叉車孔周邊鋼板出現(xiàn)扭曲變形；翻起承載板后，觀察到部分連接處焊縫裂開。破壞情況如圖3所示。

圖3 承載板加載及破壞情況

承載板A點(diǎn)撓度隨載荷的變化曲線見(jiàn)圖4，B點(diǎn)應(yīng)力隨載荷的變化曲線見(jiàn)圖5。從圖4和圖5中撓度和應(yīng)力的變化曲線可以看出，在40 t以下加載時(shí)，載荷曲線基本呈線性變化；40 t以上時(shí)，載荷曲線發(fā)生向上偏離。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，載荷接近40 t時(shí)，承載板局部材料已經(jīng)開始發(fā)生塑性變形，隨著載荷的增加，發(fā)生塑性變形的區(qū)域越大。當(dāng)接近60 t時(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果看，局部材料發(fā)生屈曲破壞。塑性變形和屈曲現(xiàn)象都與彈性變形有較大的區(qū)別，因此造成上述差別現(xiàn)象的存在。

圖4 承載板A點(diǎn)撓度隨載荷變化曲線 圖5 承載板B點(diǎn)應(yīng)力隨載荷變化曲線

經(jīng)過(guò)對(duì)承載板結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，確定承載板發(fā)生破壞變形的主要原因?yàn)椋孩偕仙w板面積大，相對(duì)于其它板來(lái)說(shuō)較薄，成為高承載時(shí)的應(yīng)力釋放口，從而使上蓋板發(fā)生扭曲變形；②叉車孔處未加設(shè)護(hù)套，該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，強(qiáng)度及剛度較低，形成破壞點(diǎn)。分析結(jié)論為：承載板主要承載區(qū)(中部)的強(qiáng)度及剛度不足，達(dá)不到承載80 t的極限設(shè)計(jì)載荷要求。

根據(jù)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合承載板實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，擬在原有結(jié)構(gòu)形式不變的情況下，采取補(bǔ)焊加強(qiáng)筋的方式達(dá)到提高剛度和強(qiáng)度的效果。加筋處理方案為：沿承載板縱向2 103 mm及1 394 mm區(qū)域內(nèi)補(bǔ)焊筋板。2 103 mm區(qū)域內(nèi)，上部筋板厚4 mm，寬124 mm；下部筋板厚12 mm，寬111 mm，此外，還增加4條板厚為3 mm的U形筋條。1 394 mm區(qū)域內(nèi)，上部筋板厚3 mm，寬124 mm；下部筋板厚5 mm，寬111 mm。兩叉車孔處補(bǔ)焊護(hù)套，護(hù)套厚度5 mm。護(hù)套和補(bǔ)焊筋板、U形筋條的尺寸和位置如圖6所示，材料為低合金鋼材料。

圖6 1/2結(jié)構(gòu)加筋方案

3 加筋前后數(shù)值模擬分析

3.1 物理模型

由于承載板除角件外，各零部件均采用鋼板焊接而成，因此利用ANSYS有限元分析軟件，選用殼單元建立物理模型。經(jīng)比較，選擇具有6個(gè)自由度的SHELL63單元，該單元具有應(yīng)力強(qiáng)化和大變形能力，可以分析垂直載荷和面內(nèi)載荷。采用殼單元可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，通過(guò)調(diào)整殼單元的實(shí)常數(shù)來(lái)改變鋼板的有無(wú)和厚度，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較和優(yōu)化。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只需建立承載板的1/4模型，通過(guò)在對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，即可分析整個(gè)板結(jié)構(gòu)。圖7為利用殼單元SHELL63建立的物理模型。

圖7 1/4結(jié)構(gòu)物理模型

3.2 加筋前模擬結(jié)果

對(duì)承載板模型按加載區(qū)域施加40 t的均布載荷，經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，得到圖8所示的承載板應(yīng)力分布和變形狀態(tài)。圖中，最大應(yīng)力值為384 MPa，發(fā)生在上蓋板的載荷作用區(qū)域；最大變形量為35 mm，發(fā)生在y向?qū)ΨQ面的載荷作用區(qū)域。從圖中可以看出，高應(yīng)力分布區(qū)域和大變形區(qū)主要發(fā)生在承載板中部，符合梁彎曲的受力特點(diǎn)。如果對(duì)承載板中部進(jìn)行加筋處理，會(huì)取得明顯的加強(qiáng)效果。在該工況下，由于最大應(yīng)力值已超出材料的彈性極限，部分材料出現(xiàn)屈服，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生永久變形。

圖8 加筋前模型40 t壓載仿真結(jié)果

圖9為60 t壓載時(shí)的應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出，叉車孔附近的承載板區(qū)域以及叉車孔所在的鋼板有發(fā)生扭曲的趨勢(shì)，該扭曲趨勢(shì)最終導(dǎo)致了上蓋板發(fā)生屈曲破壞，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖9 加筋前模型60 t壓載應(yīng)力仿真結(jié)果(局部放大)

3.3 加筋后模擬結(jié)果

加筋前模擬結(jié)果表明，對(duì)承載板中部進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，能夠在盡量少增加材料的情況下，滿足承載板的剛度和強(qiáng)度要求。根據(jù)結(jié)構(gòu)加筋方案，通過(guò)調(diào)整模型的殼單元參數(shù)，控制承載板在極限載荷下仍在材料彈性范圍以內(nèi)，得到加筋后的承載板模型。材料在不發(fā)生塑性變化情況下，40 t和80 t載荷作用下加筋承載板的應(yīng)力分布情況是一致的，只是應(yīng)力數(shù)值大小不同，因此模型按80 t載荷加載，其應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖10。

圖10 加筋后模型80 t壓載應(yīng)力分布仿真結(jié)果

圖10的應(yīng)力分布仿真分析結(jié)果表明，加筋后，承載板中部明顯得到了加強(qiáng)，應(yīng)力分布趨于均勻，最大應(yīng)力值為327 MPa，在材料彈性范圍以內(nèi)，變形量也得到了有效控制。

3.4 結(jié)果比較分析

上蓋板是高應(yīng)力分布區(qū)域，對(duì)加筋前后的模型取上蓋板縱向?qū)ΨQ線OA(見(jiàn)圖7)上的應(yīng)力分布結(jié)果進(jìn)行比較，有利于分析加強(qiáng)筋對(duì)承載板剛度和強(qiáng)度的影響。圖11為加筋前后40 t載荷在OA線上的應(yīng)力分布比較。從圖11中可以看出，加筋前，曲線上的應(yīng)力值變化劇烈，極大值和極小值差別很大，容易產(chǎn)生局部破壞；而加筋后，應(yīng)力差值大大降低，應(yīng)力分布比較均勻，且承載板的最高應(yīng)力降到了許可范圍以內(nèi)。從圖11中還可以看出，加筋后，無(wú)論40 t還是80 t載荷，兩條應(yīng)力分布曲線都比較緩和，應(yīng)力值分布比較均勻，保證了鋼結(jié)構(gòu)材料的充分利用。可見(jiàn)，加筋對(duì)鋼結(jié)構(gòu)承載產(chǎn)生了較大的貢獻(xiàn)，加筋效果良好。

圖11 加筋前后40 t和80 t載荷在OA線上的應(yīng)力分布比較

4 結(jié)束語(yǔ)

利用殼單元建立物理模型分析鋼板焊接而成的承載板結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整殼單元實(shí)常數(shù)來(lái)優(yōu)化承載板結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式，而且能夠非常清晰的得到承載板的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果也非常接近。通過(guò)對(duì)加筋后的承載板再次進(jìn)行實(shí)體樣機(jī)加載試驗(yàn)，剛度和強(qiáng)度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，表明加筋方案是合理的，也驗(yàn)證了物理模型的準(zhǔn)確性。從數(shù)值仿真結(jié)果可以看出，雖然經(jīng)加筋后，承載板的剛度和強(qiáng)度滿足了設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)力分布仍存在不均勻性，比如與縱梁相比，橫梁應(yīng)力水平普遍較低，尚存在一定的優(yōu)化空間。