罗 刚 吴国民 汤 刚 杨 平
(中国舰船研究设计中心1) 武汉 430064)(武汉理工大学交通学院2) 武汉 430063)
随着船舶工业的快速发展,船舶向着大型化、轻型化、高速化和多样化发展,船舶运输也走向了更加宽广的区域,船舶运行的环境更加恶劣和多变,而且各国对于船舶设计使用的材料要求更加的经济合理.所以传统的许用应力(ASD)方法就有着其诸多的局限性,研究船体结构在极端载荷作用下的整体力学行为和极限强度,成为了国际船舶力学领域的热点问题[1].《油船2005年共同规范(2005年)》(以下简称CSR)将加筋板极限强度的概念引入,能更加真实反映加筋板结构的承载能力,提高船舶的安全性,对于船舶设计具有重要意义,将加筋板极限强度提到了更高的要求.各国学者和船级社均在加筋板极限强度方面开展了大量工作.其中,对于加筋板受单轴压缩和双轴压缩载荷的研究最多.
但是,实际上对于船底、舷侧、液舱等船体结构,其必然遭受水的侧压,侧压对于加筋板结构极限强度的影响值得研究.本文参照CSR 要求,综合考虑加筋板结构的几何非线性、材料非线性、初始挠度等影响下(本文不考虑焊接残余应力对于极限强度的影响,因为焊接残余应力对于极限强度的影响较小[2])计算单轴压缩,单轴压缩+侧压,双轴压缩,双轴压缩+侧压工况下加筋板结构的极限强度.对比分析其差异,以期探讨侧压对于加筋板极限强度的影响.
本文采用通用有限元软件Ansys计算文献[3]中给出的加筋板结构的极限强度,其计算结果的准确度与文献[3]给出的计算结果进行比较,从而判断本文采用计算方法的正确性.
加筋板的规格来源于2012 年ISSC 标定计算的加筋板模型,其弹性模量E=205.8GPa,泊松比υ=0.3,屈服极限σy=313.6MPa.具体加筋板几何尺寸见表1、表2.
表1 Panel A(扁钢)几何尺寸
表2 Panel B(角钢)几何尺寸
上述表格中:A为板长;B为板宽;t为板厚;hw为腹板高;tw为腹板厚;tf为翼板宽;hf为翼板厚;n_sti为筋的根数。
考虑的加筋板模型范围为双弯双跨模型,边界条件参照文献[3],具体见图1及表3.
图1 双弯双跨模型边界条件示意图
本文采用一阶模态变形作为初始挠度形式,采用的初始挠度幅值和文献[4]中相同,其中板的初始挠度幅值A0=0.1β2t,筋的幅值B0=C0=0.015A.式中:t为板厚,mm;为板的柔度(其中b为加强筋的间距=B/(n+1)).网格尺寸为:加强筋间单元数为8个,X方向A长度内的单元数为24个,腹板的单元数为4,翼板单元数为2个.
图2和图3 分别给出了2 根筋Flat Bar,2根筋Angle Bar的有限元模型.
图2 2根Flat Bar有限元模型
图3 2根Angle Bar有限元模型
计算结果的对比采用Panel A 进行,表3和表4分别给出了250×25,350×35两种扁钢型式下6种板厚规格的极限强度值,并且和文献[3]中给出的各国专家的计算值进行比较分析,图4及5分别给出了表3及表4的数据对比分析图,验证本文计算方法的正确性。
表4 Flat Bar-250×25极限强度计算分析
图4 表3数据对比分析图
表5 Flat Bar-350×35极限强度计算分析
图5 表4数据对比分析图
Box,von Karman,Frankland,Faulkner等研究人员先后提出了用于计算光板受轴压情况下的极限强度公式。
式(4)因为简单且和大量的实验数据符合得相当好而被广为使用[5].本文计算若干光板受轴压载荷工况下的极限强度,与Faulkner公式结果进行对比,已验算本文方法的正确性.
按照本文方法计算了下列不同尺寸板的极限强度,计算得到的极限强度结果与Faulkner公式结果的对比分析见表6.
表6 不同尺寸光板的极限强度计算值
通过与ISSC 各位专家计算结果及Faulkner理论公式计算结果对比分析可得,本文采用的计算方法真实可信。后文将采用上述Non-FEM 分析Panel B模型在受单轴压缩,单轴压缩+侧压,双轴压缩,双轴压缩+侧压工况下的极限强度,从而探讨侧压对加筋板极限强度的影响。
本节主要计算Panel B 结构在受有单轴压缩、单轴压缩+侧压载荷下的极限强度值。研究侧压对于加筋板结构极限强度的影响。
模型的材料参数、网格尺寸、几何尺寸等信息参照上节所述。将235mm×10mm×/90mm×15mm 记为Stif-1,将383×12/100×17 记为Stif-2。表7给出了各个板厚Panel B加筋板结构的极限强度值。
表7 单轴压缩、单轴压缩+侧压极限强度值
由表7可知,加筋板在单轴受压+侧压工况下,随着侧压的不断增加,加筋板的极限强度不断减小。随着板厚的不断增加,加筋板极限强度对于侧压的响应不断减小。
本节主要研究双轴受压工况下(σx∶σy=0.6∶0.4),侧压分别为0,0.025,0.05,0.075 和0.10 MPa下加筋板的极限强度值,见表8.
由表8可知,双轴压缩压缩工况下,随着侧压力的不断增加,加筋板的极限强度逐渐下降。随着板厚的不断增加,加筋板极限强度对于侧压的响应不断减小。
表8 双轴压缩、双轴压缩+侧压极限强度值
1)无论是单轴+侧压还是双轴+侧压载荷组合作用下,加筋板的极限强度都随着侧压的不断增大而减小。
2)双轴压缩+侧压工况下,随着侧压的不断增加,其极限强度减小的幅度比单轴+侧压工况下要快。
3)随着加筋板板厚的不断增加,加筋板极限强度对于侧压的响应不断减小。
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