賀幸

摘 ?要：運(yùn)用非線性有限元軟件ANSYS，研究鋁質(zhì)船舶加筋板在單軸拉—壓循環(huán)載荷下的極限強(qiáng)度特性，重點(diǎn)討論鋁質(zhì)加筋板熱影響區(qū)的分布方式、熱影響區(qū)的范圍大小、不同循環(huán)載荷歷程對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響，所獲結(jié)果對鋁質(zhì)加筋板的設(shè)計(jì)與制造具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：循環(huán)載荷 ?鋁質(zhì)加筋板 ?熱影響區(qū) ?極限強(qiáng)度

船舶的總縱強(qiáng)度能否得到充分保證，直接關(guān)系到船舶自身乃至與其相關(guān)的生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境的安全性。為確保船舶在其營運(yùn)周期內(nèi)足夠的總縱強(qiáng)度，首先要對其極限強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，以了解其最大承載能力，進(jìn)而指導(dǎo)前期的船舶設(shè)計(jì)與后期的運(yùn)營管理。傳統(tǒng)上，船舶最大承載能力的評估都是以外彎矩使其發(fā)生一次性崩潰為出發(fā)點(diǎn)，沒有考慮真實(shí)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(dǎo)致的船體塑性累積變形對極限強(qiáng)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(yīng)力水平達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的局部構(gòu)件產(chǎn)生塑性變形，在經(jīng)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(kuò)展，使得截面抗彎剛度發(fā)生明顯下降，此時(shí)一次性崩潰理念所得的極限強(qiáng)度評估值將偏于危險(xiǎn)。由于船舶加筋板是船體結(jié)構(gòu)中最主要的承載構(gòu)件，當(dāng)它們隨船舶一起在惡劣海況中起伏時(shí)，其必然會(huì)承受壓縮和拉伸兩種載荷的循環(huán)作用。在遭遇多次循環(huán)過載后，塑性變形會(huì)產(chǎn)生累積，其面內(nèi)極限強(qiáng)度必然會(huì)發(fā)生變化。因此，研究循環(huán)載荷下船舶加筋板的極限強(qiáng)度顯得尤為必要。

出于減輕船舶重量、提高船舶經(jīng)濟(jì)性及其它使用性能的考慮，鋁質(zhì)加筋板在船舶結(jié)構(gòu)中也廣泛的作為承載構(gòu)件而出現(xiàn)。由于材料熱力學(xué)性能的差異，相比于鋼材，焊接導(dǎo)致的熱影響區(qū)嚴(yán)重削弱了鋁材的力學(xué)性能，進(jìn)而直接影響鋁質(zhì)加筋板的極限承載能力。目前，擠壓成型的鋁質(zhì)加筋板由于減少了焊接熱影響區(qū)對鋁質(zhì)加筋板的不利影響，在工業(yè)制造領(lǐng)域受到了關(guān)注。但是，由于受擠壓模具的尺寸限制，擠壓成型鋁質(zhì)帶筋板的大規(guī)模應(yīng)用存在瓶頸，不能完全取代焊接制造的鋁質(zhì)加筋板。本文運(yùn)用非線性有限元軟件ANSYS對鋁質(zhì)加筋板熱影響區(qū)的分布方式、熱影響區(qū)的范圍大小、不同循環(huán)載荷歷程對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，所做研究具有一定的創(chuàng)新性。

鋁質(zhì)加筋板的幾何尺寸與材料屬性

本文所取鋁質(zhì)加筋板模型選用ISSC標(biāo)定計(jì)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(qū)材料屈服極限=260 MPa，熱影響區(qū)材料屈服極限=130 MPa，其材料性能曲線見圖2。

圖1 鋁質(zhì)加筋板幾何模型及尺寸

圖2 非熱影響區(qū)與熱影響區(qū)材料性能曲線

鋁質(zhì)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(zhì)加筋板進(jìn)行離散建模，選用shell143殼單元，所取單元尺寸滿足極限強(qiáng)度精度要求和節(jié)約計(jì)算機(jī)時(shí)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(jié)點(diǎn)在X方向上保持一致，兩非加載邊界上所有節(jié)點(diǎn)在Y方向上保持一致，以實(shí)現(xiàn)邊界的直線形式;兩加載邊界中點(diǎn)約束UY，兩非加載邊界中點(diǎn)約束UX，以限制剛體位移。有限元計(jì)算模型見圖3。

圖3 鋁質(zhì)加筋板有限元計(jì)算模型

鋁質(zhì)加筋板的初始變形

鋁質(zhì)加筋板通常都具有初始變形，為了模擬鋁質(zhì)加筋板的初始變形，本文采用的方法是在整塊鋁質(zhì)加筋板的側(cè)面施加側(cè)壓，以模擬鋁質(zhì)加筋板初始變形形狀及幅值。幅值的判斷標(biāo)準(zhǔn)是使加筋板節(jié)點(diǎn)的最大垂向位移達(dá)到2mm。雖然上述方法不是唯一標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)加筋板熱影響區(qū)的分布

不同的建造及焊接方法使得鋁質(zhì)加筋板的熱影響區(qū)分布有所區(qū)別。圖5顯示了不同的焊接建造方法所形成的鋁質(zhì)加筋板，圖6顯示了熱影響區(qū)在板和加強(qiáng)筋上的分布范圍（熱影響區(qū)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(zhì)加筋板

圖6 熱影響區(qū)在板和加強(qiáng)筋上的范圍分布

循環(huán)載荷下鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度研究

本節(jié)采用位移控制的方法，實(shí)現(xiàn)加筋板的循環(huán)計(jì)算。特設(shè)定7種計(jì)算工況，來討論熱影響區(qū)的分布方式、熱影響區(qū)的范圍大小、不同循環(huán)載荷歷程對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響。見表1。

表1 加筋板循環(huán)載荷加載路徑（ε/εy）

注：所施加的循環(huán)載荷以壓為正，以拉為負(fù)。表中加載的應(yīng)變值均為屈服應(yīng)變的倍數(shù)。

1、熱影響區(qū)的分布方式對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響

本節(jié)通過Case1、Case2和Case7的對比計(jì)算，研究了三種不同熱影響區(qū)分布方式的鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度，并且得到了單側(cè)循環(huán)下鋁質(zhì)加筋板的典型循環(huán)滯回曲線（Case2），分別見圖7和圖8。

圖7不同熱影響區(qū)分布方式的鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度

圖8鋁質(zhì)加筋板循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線（Case2）

2、熱影響區(qū)的范圍大小對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響

本節(jié)以模型HAZ-1為基準(zhǔn)模型，改變鋁質(zhì)加筋板熱影響區(qū)的范圍，使其沿加強(qiáng)筋高度方向的寬度從25mm，30mm增大至40mm，在板寬方向?yàn)樯鲜鲋档膬杀丁Ρ扔?jì)算了Case2、Case3和Case4，可以得到不同熱影響區(qū)范圍大小的鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度，見圖9。

圖9不同熱影響區(qū)范圍大小的鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度

圖10不同循環(huán)歷程下鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度

3、不同循環(huán)歷程對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的影響

對于循環(huán)載荷下鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度研究，循環(huán)歷程也是一個(gè)重要的影響因素。本節(jié)以模型HAZ-1為基準(zhǔn)模型，選取了典型的三種循環(huán)歷程做了詳細(xì)的計(jì)算討論，即Case2、Case5和Case6。三種循環(huán)歷程所得的極限強(qiáng)度見圖10。同時(shí)可以得到Case5和Case6所對應(yīng)的鋁質(zhì)加筋板應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖11和圖12。endprint

圖11 鋁質(zhì)加筋板循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線（Case 5）

圖12 鋁質(zhì)加筋板循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線（Case 6）

結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS，對循環(huán)載荷下考慮熱影響區(qū)的鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度進(jìn)行了分析研究，主要得到以下結(jié)論：

由圖7可知，模型HAZ-2的極限應(yīng)力值要明顯高于模型HAZ-1，這說明采用當(dāng)前先進(jìn)擠壓工藝而得的鋁質(zhì)加筋板在避免熱影響區(qū)影響、提高加筋板極限強(qiáng)度性能上確實(shí)有很大的優(yōu)勢。而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，兩者的極限應(yīng)力值在逐漸接近，這可能是因?yàn)樵诖髴?yīng)變循環(huán)后期，加筋板的極限強(qiáng)度主要與殘余的塑性變形有關(guān)，而熱影響區(qū)對它的影響在變小。

由圖8可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加筋板的極限強(qiáng)度值逐漸降低，并且卸載曲線和加載曲線之間的包絡(luò)面積在不斷增加，此種現(xiàn)象的發(fā)生主要是與結(jié)構(gòu)的非線性彈性性質(zhì)有關(guān)。

由圖9可知，熱影響區(qū)的范圍越大，對鋁質(zhì)加筋板極限強(qiáng)度的性能有更不利的影響。所以優(yōu)良的焊接工藝能夠明顯改善鋁質(zhì)加筋板的極限強(qiáng)度力學(xué)性能。

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

由圖11和圖12可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加筋板的應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸趨于同一型式的滯回曲線。這說明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，加筋板的力學(xué)性能特征越來越趨于穩(wěn)定。

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（作者單位：九江市地方海事局）endprint