徐雙喜，佟哲，董威，唐衛(wèi)國(guó)，張浩

(1.武漢理工大學(xué)a.交通學(xué)院；b.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063； c.先進(jìn)材料制造裝備與技術(shù)研究院，武漢 430070；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064； 3.青島工業(yè)軟件研究所(中國(guó)科學(xué)院軟件研究所青島分部)，山東 青島 266000)

在鋼玻復(fù)合船體結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料上層建筑通過螺栓連接接頭固定在鋼質(zhì)主船體上，上層建筑隨主船體一同參于總縱強(qiáng)度。船舶在波浪中航行時(shí)，主船體會(huì)遭受中垂和中拱彎曲載荷，在主船體將波浪載荷傳遞給上層建筑的過程中，拉壓載荷是影響螺栓連接接頭安全性的主要載荷。目前在鋼玻復(fù)合船舶領(lǐng)域，應(yīng)用于復(fù)合材料上層建筑與鋼質(zhì)船體之間的螺栓連接接頭形式主要有：Π形接頭和L形接頭[1]。兩種螺栓連接接頭的螺栓受力狀態(tài)不同，承載能力差異較大。其中Π形接頭的強(qiáng)度承載主要是螺栓的剪切，承載一定時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)螺栓的剪切破壞以及層合板螺栓的擴(kuò)孔等現(xiàn)象[2]，引起螺栓的松動(dòng)，同時(shí)添加的加強(qiáng)鋼板較多，會(huì)導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)重量的大量增加，不利于結(jié)構(gòu)的輕量化。傳統(tǒng)的L型接頭可承載的載荷較小，連接時(shí)會(huì)在甲板上開孔，一定程度上會(huì)降低甲板的強(qiáng)度，引起開孔處的應(yīng)力集中，同時(shí)，開孔處添加的開孔補(bǔ)板也會(huì)大量增加連接結(jié)構(gòu)的重量[3,4]。為此，提出新型L形接頭，在甲板上焊接一個(gè)合適大小的角鋼，在角鋼上開孔來與復(fù)合材料上層建筑的連接，避免開孔對(duì)甲板強(qiáng)度的影響；同時(shí)，在工程方面更方便上層建筑與主船體的裝配。但是，相對(duì)于Π形連接結(jié)構(gòu)，其承載能力偏低，考慮對(duì)接頭強(qiáng)度薄弱部位采用局部加強(qiáng)方案，數(shù)值仿真模擬和拉伸試驗(yàn)的方法，與傳統(tǒng)接頭進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 接頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

復(fù)合材料上層建筑與鋼質(zhì)船體之間的螺栓連接接頭為間隔式連續(xù)布置，連接接頭主要受拉壓載荷作用。由于螺栓連接接頭受拉更易失效，因此取單個(gè)螺栓連接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度分析。分別設(shè)計(jì)單螺栓的Π形接頭、L形接頭和加強(qiáng)L形接頭，每種接頭的尺寸見圖1。

圖1 試驗(yàn)接頭結(jié)構(gòu)形式

接頭開孔處的強(qiáng)度和螺栓預(yù)緊力有關(guān)，預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)的失效形式無太大關(guān)聯(lián)，但是和開口處的強(qiáng)度密切相關(guān)，預(yù)緊力越大，結(jié)構(gòu)承載力越強(qiáng)；但是也有一定的限制，超過某個(gè)值，反而會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力變?nèi)鮗5]。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)3種接頭的螺栓均施加6 kN的預(yù)緊力。

接頭強(qiáng)度與螺栓-開孔的間隙緊密相關(guān)，當(dāng)配合間隙不大于螺栓直徑的2%時(shí)，連接結(jié)構(gòu)的極限承載能力隨間隙的增加而降低；當(dāng)螺栓與開孔的間隙小于螺栓直徑的2%時(shí)，間隙越小，螺栓的極限承載力越大[6]。因此，制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，玻璃鋼板和鋼板上的連接螺栓開孔直徑與螺栓直徑相同，均取為12 mm。

1.2 3種連接接頭參數(shù)

3種連接接頭的玻璃鋼板屬于復(fù)合材料層合板，不同鋪層角度及順序?qū)Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度有較大影響，當(dāng)90°層置于復(fù)合材料層合板表層時(shí)，螺栓的極限承載能力最強(qiáng)[7-10]。因此，試驗(yàn)接頭的玻璃鋼板采用0°/90°的復(fù)合氈LTM600/225和雙軸向布LTM600來鋪層制作，兩者鋪層方式見表1，參數(shù)特征見表2。樹脂基體為不飽和聚酯樹脂。

表1 復(fù)合材料鋪層順序

表2 材料參數(shù)

為了使玻璃鋼接頭質(zhì)量更好，采用真空輔助樹脂注射成型(VARI)工藝統(tǒng)一制作接頭的層合板部分。3種連接接頭的鋼板為6 mm厚，采用8.8級(jí)12 mm螺栓來進(jìn)行玻璃鋼與鋼的連接，鋼板和螺栓的彈性模量206 GPa，泊松比為0.3。加強(qiáng)接頭的硬木為松木，厚度為8 cm、密度為700 kg/m3，彈性模量為11 GPa，泊松比為0.5。

2 連接接頭強(qiáng)度試驗(yàn)及數(shù)值仿真

采用MTS-322試驗(yàn)機(jī)對(duì)3種連接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，夾頭采用具有夾持5 mm試件的能力的專用夾頭。試驗(yàn)時(shí)，試件兩端用夾具夾緊，其中試件下端固定，上端施加1 mm/min的位移載荷，并實(shí)時(shí)記錄拉伸位移-載荷的變化。

運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)Π形接頭、L形接頭和加強(qiáng)L形接頭在拉伸載荷作用下的極限承載能力進(jìn)行數(shù)值仿真分析。鋼質(zhì)螺栓、鋼板、硬木及玻璃鋼層合板的材料屬性采用上節(jié)所述數(shù)值在屬性模塊中進(jìn)行設(shè)置。然后對(duì)螺栓與孔的接觸關(guān)系進(jìn)行定義，考慮到兩者之間可以傳遞的力不受到限制，兩者接觸關(guān)系的法相定義為硬接觸，切向定義為無摩擦。在力模塊的設(shè)置中，采用connector force模擬施加預(yù)緊力，然后將3個(gè)模型的鋼板下端面約束其3個(gè)方向的線位移，上端施加垂直向上的1 mm/min拉伸位移。在網(wǎng)格劃分中，對(duì)層合板及鋼板采用C3D8R單元類型(8節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元)，對(duì)鋼質(zhì)螺栓采用C3D8I單元類型(8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元)。具體有限元模型圖見圖2、3。

圖2 3種接頭網(wǎng)格劃分示意

試驗(yàn)中，復(fù)合材料板相對(duì)薄弱，會(huì)發(fā)生撕裂破壞，計(jì)算時(shí)將復(fù)合材料板的失效模型計(jì)算采用三維Hashin失效準(zhǔn)則。

圖3 模型網(wǎng)格細(xì)化示意

2.1 Π形接頭

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，隨著拉力逐漸增大，玻璃鋼層合板逐漸發(fā)出撕裂的聲音，當(dāng)拉力達(dá)到極限承載時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)的拉伸載荷突然下降，在孔邊擠壓處有纖維拉出現(xiàn)象，可判定層合板發(fā)生損傷，失效模式為栓孔孔邊擠壓破壞。在數(shù)值仿真的失效過程中，隨著拉伸載荷逐漸增大，層合板螺栓孔周圍受擠壓失效面積逐漸增大，接近極限承載時(shí)，螺栓孔處層合板受擠壓逐漸發(fā)生破壞，并最終出現(xiàn)大面積損傷，沿圓孔中心線向外的位有限元模擬置出現(xiàn)孔邊失效的現(xiàn)象，可判定Π形接頭的失效模式為螺栓擠壓破壞失效。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖4，有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖5，通過圖5可看出，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的失效模式相吻合。

圖4 Π形接頭拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖5 有限元及試驗(yàn)失效對(duì)比

對(duì)比試驗(yàn)與仿真的載荷-位移曲線(見圖6)，可知兩曲線吻合較好，試驗(yàn)的極限載荷為7.2 kN，仿真計(jì)算的極限載荷為6.77 kN，與試驗(yàn)相差6.3%。Π形接頭在極限載荷時(shí)位移較小，這是由于螺栓與孔連接緊密，前者會(huì)對(duì)后者形成擠壓現(xiàn)象。

圖6 試驗(yàn)載荷-位移的變化

2.2 L形接頭

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，隨著層合板發(fā)出撕裂的聲音，沿著螺栓孔邊緣垂直方向出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，L形接頭折角處層合板也有輕微的破壞(見圖7)，判定層合板發(fā)生了損傷。

圖7 L形接頭拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

在數(shù)值仿真的失效過程中，隨著拉伸載荷的增加，螺栓孔孔邊出現(xiàn)壓縮損傷，接近極限承載時(shí)，損傷沿螺栓孔外緣向外逐漸擴(kuò)張，并最終出現(xiàn)大面積破壞，判定L型接頭的失效模式為螺栓孔周邊撕裂破壞失效。通過圖8可看出，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的失效模式相吻合。

圖8 有限元及試驗(yàn)失效對(duì)比

對(duì)比試驗(yàn)與仿真的載荷-位移曲線(見圖9)，兩曲線吻合較好，試驗(yàn)的極限載荷為3.3 kN，仿真計(jì)算的極限載荷為3.23 kN，與試驗(yàn)相差2.1%。

圖9 試驗(yàn)載荷-位移的變化

2.3 加強(qiáng)L形接頭

進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)(圖10)，拉力逐漸增大，最終導(dǎo)致層合板在90°折角處發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，鋼板也沿著螺栓孔邊緣垂直方向彎折，判定層合板發(fā)生了損傷。

圖10 加強(qiáng)L形接頭拉伸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

在數(shù)值仿真的失效過程中，隨著拉伸載荷逐步增大，在螺栓孔處有輕微損傷出現(xiàn)，由于硬木的作用，當(dāng)拉伸載荷繼續(xù)增大時(shí)，層合板90°折角處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終出現(xiàn)斷裂的情況，判定加強(qiáng)L型接頭的失效模式為層合板轉(zhuǎn)角處的斷裂破壞失效。通過圖11可看出，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的失效模式相吻合。

圖11 有限元及試驗(yàn)失效對(duì)比

通過對(duì)比試驗(yàn)與仿真的載荷-位移變化(見圖12)，兩曲線吻合較好，試驗(yàn)的極限載荷為9.46 kN，仿真計(jì)算的極限載荷為9.7 kN，與試驗(yàn)相差2.5%。

圖12 載荷-位移的變化

試驗(yàn)中角鋼面板發(fā)生了彎曲變形，角鋼的彎曲變形致使硬木也隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。玻璃鋼接頭的拉伸板始終處于直立狀態(tài)，玻璃鋼接頭的L形角度會(huì)隨之變大，在L形接頭根部會(huì)產(chǎn)生外翻力矩，L型接頭根部抵抗外翻力矩能力比較弱，易發(fā)生折斷，受角鋼強(qiáng)度的影響致使極限抗拉能力偏低。如果增加試驗(yàn)中角鋼強(qiáng)度，角鋼面板不變形，會(huì)大大提高加強(qiáng)L形接頭的極限承載力。

3 接頭型式對(duì)比

對(duì)3種連接接頭的極限承載能力進(jìn)行對(duì)比見圖13。加強(qiáng)L形接頭極限承載能力相對(duì)于L形接頭和Π形接頭分別提高了196%和33.6%，可看出加強(qiáng)L形接頭性能更加優(yōu)越，極限承載能力更強(qiáng)。

圖13 3種接頭試驗(yàn)承載能力對(duì)比

4 結(jié)論與建議

1)3種連接接頭中，加強(qiáng)L形接頭的抗拉效果最好。

2)Π形接頭的玻璃鋼板主要承受螺栓的剪切載荷，螺栓剪切玻璃鋼板圓孔，在長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜外載荷作用下層合板聯(lián)接處會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)孔現(xiàn)象，有引起螺栓的松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3)L形接頭的玻璃鋼板易發(fā)生折斷，承載的載荷較小。

4)建議在主船體為鋼、上層建筑為復(fù)合材料的連接接頭使用加強(qiáng)L形接頭，更用利于提高安全性。

5)由于木材遇水易腐爛，在造船時(shí)，螺栓孔處應(yīng)先打大孔、并塞滿復(fù)合材料，再在復(fù)合材料上鉆孔，確保木材被復(fù)合材料完全包覆。