畢湲

（安徽省江淮船舶檢驗(yàn)局，安徽 合肥 230000）

國內(nèi)外學(xué)者針對板架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展了系列試驗(yàn)研究工作。孫晶晶等[2]研究了加筋板在承受橫向載荷的作用時加強(qiáng)筋與鋼板脫裂的失效機(jī)理，為新型加筋板的研究提供了幫助。洪志濤等[3]針對加筋板中鋼板的板厚進(jìn)行了研究，通過分析不同板厚對船舶耐撞性能的影響，推導(dǎo)出了板厚對船舶耐撞性能的解析公式。劉昆等[4]建立波紋夾層板在空爆沖擊載荷作用下相關(guān)塑性變形理論預(yù)報(bào)方法并驗(yàn)證該理論方法的可靠性。

1 船體結(jié)構(gòu)材料性能試驗(yàn)及分析

船體板架的仿真材料屬性對結(jié)構(gòu)的有限元仿真輸入具有較大的影響，是有限元仿真方法精準(zhǔn)模擬結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)。開展材料性能試驗(yàn)為后續(xù)有限元模擬提供依據(jù)。

1.1 試件參數(shù)

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)》（GB/T 288.1-2010）中關(guān)于室溫下材料拉伸試驗(yàn)的要求，從船用低碳鋼（Q235）母材上取材進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，用微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)開展準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)裝備以及具體的試件尺寸參數(shù)如圖1 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣及尺寸

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

使用準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)得到船用低碳鋼Q235 材料的參數(shù)與工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，參數(shù)結(jié)果如表2 所示。

1.3 仿真材料輸入

網(wǎng)格單元最大的失效應(yīng)變值在某些情況下會高過材料斷裂時的實(shí)際應(yīng)變值，材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線需要適當(dāng)調(diào)整。用“組合材料關(guān)系曲線”可處理材料硬化問題[10-11]。

將材料試驗(yàn)所得工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線通過方式修改為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，頸縮點(diǎn)以前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用式（1）、（2）轉(zhuǎn)化為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

在試件發(fā)生頸縮后，其真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變關(guān)系以式（3）的權(quán)重函數(shù)形式表示：

式中：e 是自然對數(shù)的底數(shù)，Ag為和Rm相關(guān)的參數(shù)，Rm是極限拉伸的應(yīng)力，Ag可以通過式（6）獲得。

由于頸縮點(diǎn)前后部分應(yīng)變相同，但是產(chǎn)生的應(yīng)力不同，如圖3 所示中間C 部分連接著Ⅰ和Ⅱ。“組合關(guān)系曲線”則能在有限元軟件中輸入仿真材料參數(shù)。

圖3 Q235 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

建立如圖4 的單軸拉伸試件模型。當(dāng)一端有剛性固定時，要考慮計(jì)算時間與精度，將其另一端的恒定速率調(diào)整為100 倍。當(dāng)仿真與試驗(yàn)的失效時刻一致時等效塑性應(yīng)變?yōu)?.58。圖5 是失效應(yīng)變時拉伸試驗(yàn)與對應(yīng)仿真的位移載荷曲線。

圖4 拉伸有限元模型

圖5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果對比

2 船體板與落錘的碰撞仿真分析

2.1 I 型波紋船體板幾何參數(shù)

上下兩層的鋼質(zhì)面板和I 型鋼質(zhì)波紋夾芯層組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的I 型波紋型船體板結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。面板橫截面的面積包括胞元截面面積以及上、下兩面截面面積，具體參數(shù)值如表3 所示。

表3 船體板尺寸參數(shù)

圖6 I 型波紋型船體板結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 楔形落錘的幾何參數(shù)

落錘錘長420mm，錘寬200mm，錘高255mm，楔形夾角為45°，落錘與船體板的碰撞速度設(shè)置為8.28 m/s，錘頭質(zhì)量為1.35t，最大沖擊能量約50kj，尺寸如圖7 所示。

圖7 楔形錘頭具體尺寸圖

圖8 有限元模型邊界條件

2.3 落錘與船體板網(wǎng)格的劃分

以上述波紋型船體板的幾何參數(shù)為依據(jù)，利用ABAQUS 有限元的分析軟件進(jìn)行建模，模型的夾芯間距及上下面板間的高度分割為5 個單元，夾芯層間的胞元也被劃分為5 個單元，其中金屬板面板劃分為2 個單元，長寬大致相同，網(wǎng)格單元用shell163 單元，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為10mm。波紋型船體板有限元模型采用材料拉伸的材料力學(xué)性能參數(shù)，楔形錘體采用三維實(shí)體單元建模。楔形錘體材料屬性密度設(shè)為0.0075g/mm3，力學(xué)屬性為彈性，其中楊氏模量為235000，泊松比為0.3。

2.4 裝配邊界條件設(shè)置

波紋型船體板的邊界條件為四周邊界固定，為降低影響，船體板有限元模型使用“1/2+1+1/2”的模型范圍，通過節(jié)點(diǎn)施加位移邊界，可以使面板產(chǎn)生垂向位移。但是外邊緣和內(nèi)邊緣之間的區(qū)域沒有添加任何的約束條件，這是因?yàn)楫?dāng)面板受到?jīng)_擊載荷作用時，內(nèi)邊緣將受到垂直反作用力的影響，以限制其隨重物下落的運(yùn)動。因?yàn)橥膺吘壓蛢?nèi)邊緣之間的區(qū)域?qū)⒊袚?dān)大部分平面內(nèi)的拉伸變形和向上的翹曲變形，添加到支撐者身上的反作用力可能可以忽略不計(jì)。

3 船體板的有限元仿分析

通過有限元仿真軟件 ABAQUS 對 I 型波紋型船體板進(jìn)行有限元仿真分析，對波紋型船體板施加表面接觸力，由楔形錘體對船體板模型產(chǎn)生沖擊載荷，分析I 型波紋型船體板的屈曲響應(yīng)過程進(jìn)行分析，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)在表4 中。

表4 I 型波紋型船體板分析結(jié)果

3.1 碰撞損傷

根據(jù)圖9 可知，I 型波紋船體板的兩個面板的剛度一致，船體板的上面板產(chǎn)生局部屈曲，下面板材料承載參與度較低，無明顯的屈曲現(xiàn)象產(chǎn)生，未呈現(xiàn)整體屈曲失效模式。

圖9 I 型波紋船體板撞擊失效模式

式中：D 為夾芯板位移值。

3.2 損傷變形

圖10 為楔形錘頭撞擊下I 型波紋船體板的上底板損傷變形情況，錘頭與上底板接觸區(qū)域端部所受應(yīng)力最大。上面板凹陷變形，錘頭接觸區(qū)域和面板產(chǎn)生為塑性鉸線，附近區(qū)域發(fā)生膜拉伸變形。在錘頭沖壓作用下可使得上面板的網(wǎng)格單元受到一定程度的剪切作用[13]。

圖10 I 型波紋船體板上底板失效模式

從圖11 可以看到筋結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲和膜拉伸變形，而加強(qiáng)筋沿錘長方向應(yīng)變明顯大于其他區(qū)域，兩端有明顯的皺曲變形。此外，芯層出現(xiàn)了明顯的扭曲變形未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象。

圖11 I 型波紋船體板夾芯層損傷變形圖

3.3 單元失效模式

圖12 為面板在錘體撞擊后的變形形式圖。船體板變形由整體變形和局部凹陷組成銜接處為剪切作用，作用位置稱為剪切點(diǎn)，也被叫做最先破裂點(diǎn)。隨后裂紋擴(kuò)展撕裂。由有限元仿真，能夠更加清楚看出失效形式及位置。在該位置有剪切力和拉伸力。

圖12 平板最先失效網(wǎng)格所處位置

3.4 能量耗散

表5 表示I 型波紋船體板結(jié)構(gòu)的吸能情況，在整個碰撞載荷作用過程中，船體板各構(gòu)件吸能變化趨勢總體保持一致，各構(gòu)件吸收能量隨著時間增加而增加。此外，船體板結(jié)構(gòu)中上面板為主要的塑性變形吸能構(gòu)件，計(jì)算結(jié)束時吸能在I 型波紋船體板中的占比56.16%。因此，在設(shè)計(jì)船體面板時應(yīng)盡可能提高外板的抗碰撞性能。

表5 I 型波紋船體板各構(gòu)件吸能情況

3.5 碰撞載荷

從圖13 可以看到I 型波紋型船體板的能量損耗趨勢隨著撞深的增加而增大，當(dāng)楔形錘頭開始反彈時，面板上的撞深也有所減小趨于平緩，最終裂紋深度為40mm 左右。

圖13 I 型波紋船體板能量損耗曲線

楔形錘頭作用下I 型波紋船體板具有如下特點(diǎn)：

船體板的結(jié)構(gòu)抗力由于撞深的能量越大也會更大，撞深較小時，船體板承受的碰撞力較小，由于I 型船體板夾芯層的腹板厚度較大，不易屈曲產(chǎn)生褶皺，以船體板整體彎曲變形為主。當(dāng)撞深逐漸增大后，結(jié)構(gòu)抗力緩慢上升，夾芯層的加強(qiáng)筋也會增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的抗力。

4 總結(jié)

通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)，獲得了鋼材的力學(xué)性能參數(shù)，考慮材料硬化、網(wǎng)格失效應(yīng)變等影響，在有限元仿真軟件非線性分析中，楔形錘體沖擊載荷的作用情況下，對I型金屬波紋船體板的抗沖擊性能進(jìn)行極限分析，特別是失效模式以及極限承載能力。從分析結(jié)果可以看出I 型波紋船體板在碰撞載荷下，超過彈性階段即會發(fā)生結(jié)構(gòu)的屈曲失效，而I 型船體板在塑性階段仍具有承載性能，結(jié)構(gòu)的主要吸能部分是上層面板和夾芯板。