循环载荷下铝质船舶加筋板极限强度影响因素研究
贺幸
摘 ?要：运用非线性有限元软件ANSYS，研究铝质船舶加筋板在单轴拉—压循环载荷下的极限强度特性，重点讨论铝质加筋板热影响区的分布方式、热影响区的范围大小、不同循环载荷历程对铝质加筋板极限强度的影响，所获结果对铝质加筋板的设计与制造具有一定的参考价值。
关键词：循环载荷 ?铝质加筋板 ?热影响区 ?极限强度
船舶的总纵强度能否得到充分保证，直接关系到船舶自身乃至与其相关的生命、财产、环境的安全性。为确保船舶在其营运周期内足够的总纵强度，首先要对其极限强度进行准确的评估，以了解其最大承载能力，进而指导前期的船舶设计与后期的运营管理。传统上，船舶最大承载能力的评估都是以外弯矩使其发生一次性崩溃为出发点，没有考虑真实存在的船体局部塑性破坏。与一次性崩溃理念相比，考虑多次外弯矩导致的船体塑性累积变形对极限强度的影响更加合理，即外弯矩不至于使船舶一次崩溃，但能让应力水平达到材料屈服强度的局部构件产生塑性变形，在经历多次此类弯矩作用后，由于局部塑性变形的不断累积和扩展，使得截面抗弯刚度发生明显下降，此时一次性崩溃理念所得的极限强度评估值将偏于危险。由于船舶加筋板是船体结构中最主要的承载构件，当它们随船舶一起在恶劣海况中起伏时，其必然会承受压缩和拉伸两种载荷的循环作用。在遭遇多次循环过载后，塑性变形会产生累积，其面内极限强度必然会发生变化。因此，研究循环载荷下船舶加筋板的极限强度显得尤为必要。
出于减轻船舶重量、提高船舶经济性及其它使用性能的考虑，铝质加筋板在船舶结构中也广泛的作为承载构件而出现。由于材料热力学性能的差异，相比于钢材，焊接导致的热影响区严重削弱了铝材的力学性能，进而直接影响铝质加筋板的极限承载能力。目前，挤压成型的铝质加筋板由于减少了焊接热影响区对铝质加筋板的不利影响，在工业制造领域受到了关注。但是，由于受挤压模具的尺寸限制，挤压成型铝质带筋板的大规模应用存在瓶颈，不能完全取代焊接制造的铝质加筋板。本文运用非线性有限元软件ANSYS对铝质加筋板热影响区的分布方式、热影响区的范围大小、不同循环载荷历程对铝质加筋板极限强度的影响进行了研究，所做研究具有一定的创新性。
铝质加筋板的几何尺寸与材料属性
本文所取铝质加筋板模型选用ISSC标定计算模型的几何尺寸与材料属性，见图1。材料选用6082-T6铝合金，其杨氏模量E=70475MPa，泊松比=0.3，非热影响区材料屈服极限=260 MPa，热影响区材料屈服极限=130 MPa，其材料性能曲线见图2。
图1 铝质加筋板几何模型及尺寸
图2 非热影响区与热影响区材料性能曲线
铝质加筋板有限元建模与边界条件
采用非线性有限元软件ANSYS对铝质加筋板进行离散建模，选用shell143壳单元，所取单元尺寸满足极限强度精度要求和节约计算机时的平衡。采用以下边界条件：加筋板四条边界简支;两加载边界上所有节点在X方向上保持一致，两非加载边界上所有节点在Y方向上保持一致，以实现边界的直线形式;两加载边界中点约束UY，两非加载边界中点约束UX，以限制刚体位移。有限元计算模型见图3。
图3 铝质加筋板有限元计算模型
铝质加筋板的初始变形
铝质加筋板通常都具有初始变形，为了模拟铝质加筋板的初始变形，本文采用的方法是在整块铝质加筋板的侧面施加侧压，以模拟铝质加筋板初始变形形状及幅值。幅值的判断标准是使加筋板节点的最大垂向位移达到2mm。虽然上述方法不是唯一标准，但是可以减轻研究者的工作难度，所以得到了采用。初始变形形成方法、模式及幅值见图4。
图4 初始变形形成方法、模式及幅值
铝质加筋板热影响区的分布
不同的建造及焊接方法使得铝质加筋板的热影响区分布有所区别。图5显示了不同的焊接建造方法所形成的铝质加筋板，图6显示了热影响区在板和加强筋上的分布范围（热影响区在筋上高度为25mm，在板上是前者两倍为50mm）。
图5 三种常见的焊接建造方法所形成的铝质加筋板
图6 热影响区在板和加强筋上的范围分布
循环载荷下铝质加筋板极限强度研究
本节采用位移控制的方法，实现加筋板的循环计算。特设定7种计算工况，来讨论热影响区的分布方式、热影响区的范围大小、不同循环载荷历程对铝质加筋板极限强度的影响。见表1。
表1 加筋板循环载荷加载路径（ε/εy）
注：所施加的循环载荷以压为正，以拉为负。表中加载的应变值均为屈服应变的倍数。
1、热影响区的分布方式对铝质加筋板极限强度的影响
本节通过Case1、Case2和Case7的对比计算，研究了三种不同热影响区分布方式的铝质加筋板的极限强度，并且得到了单侧循环下铝质加筋板的典型循环滞回曲线（Case2），分别见图7和图8。
图7不同热影响区分布方式的铝质加筋板的极限强度
图8铝质加筋板循环应力—应变曲线（Case2）
2、热影响区的范围大小对铝质加筋板极限强度的影响
本节以模型HAZ-1为基准模型，改变铝质加筋板热影响区的范围，使其沿加强筋高度方向的宽度从25mm，30mm增大至40mm，在板宽方向为上述值的两倍。对比计算了Case2、Case3和Case4，可以得到不同热影响区范围大小的铝质加筋板的极限强度，见图9。
图9不同热影响区范围大小的铝质加筋板的极限强度
图10不同循环历程下铝质加筋板的极限强度
3、不同循环历程对铝质加筋板极限强度的影响
对于循环载荷下铝质加筋板的极限强度研究，循环历程也是一个重要的影响因素。本节以模型HAZ-1为基准模型，选取了典型的三种循环历程做了详细的计算讨论，即Case2、Case5和Case6。三种循环历程所得的极限强度见图10。同时可以得到Case5和Case6所对应的铝质加筋板应力—应变曲线，见图11和图12。
图11 铝质加筋板循环应力—应变曲线（Case 5）
图12 铝质加筋板循环应力—应变曲线（Case 6）
结论
本文运用有限元软件ANSYS，对循环载荷下考虑热影响区的铝质加筋板极限强度进行了分析研究，主要得到以下结论：
由图7可知，模型HAZ-2的极限应力值要明显高于模型HAZ-1，这说明采用当前先进挤压工艺而得的铝质加筋板在避免热影响区影响、提高加筋板极限强度性能上确实有很大的优势。而随着循环次数的增加，两者的极限应力值在逐渐接近，这可能是因为在大应变循环后期，加筋板的极限强度主要与残余的塑性变形有关，而热影响区对它的影响在变小。
由图8可知，随着循环次数的增加，加筋板的极限强度值逐渐降低，并且卸载曲线和加载曲线之间的包络面积在不断增加，此种现象的发生主要是与结构的非线性弹性性质有关。
由图9可知，热影响区的范围越大，对铝质加筋板极限强度的性能有更不利的影响。所以优良的焊接工艺能够明显改善铝质加筋板的极限强度力学性能。
由图10可知，Case5所对应的循环下加筋板的极限强度下降最慢，而Case6所对应的循环下加筋板的极限强度下降最快，这说明加载的循环变形越大，其极限强度下降的越快。
由图11和图12可知，随着循环次数的增加，加筋板的应力应变曲线逐渐趋于同一型式的滞回曲线。这说明随着循环次数的增加，加筋板的力学性能特征越来越趋于稳定。
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（作者单位：九江市地方海事局）
