详情

原文传递循环载荷下考虑累积塑性破坏的加筋板极限强度研究

论文题名：	循环载荷下考虑累积塑性破坏的加筋板极限强度研究
关键词：	船体结构;循环载荷;塑性累积;加筋板;极限强度;数值仿真
摘要：	船体结构的极限强度是保障船体结构安全最基本最重要的强度指标之一。目前，船体结构极限强度的研究工作绝大多数都是基于船体结构在单调增加外载荷作用下的崩溃。事实上在起伏的海浪上，船体结构的变形是循环的，特别是在恶劣海况下，船体结构常因极端循环载荷而产生累积塑性变形，采用单次极限强度准则会在一定程度上高估船体结构极限强度。加筋板是构成船体结构的基本单元，研究加筋板在循环载荷下的累积塑性破坏过程十分有意义。如今，未全面深入展开船体结构在循环载荷下的极限强度研究工作，加筋板在循环载荷下的极限强度研究工作尚不完善。　　基于以上研究背景，本文以加筋板为研究对象，采用试验法、非线性有限元法和经验公式法研究了加筋板在循环载荷下的极限强度问题，本文的主要研究工作和结论如下：　　（1）开展了常温下加筋板材料的标准拉伸试验，获得其弹性模量、屈服应力、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等材料参数，绘出其真实应力-应变关系曲线，为后续有限元仿真提供参数输入。　　（2）开展了循环载荷下加筋板极限强度试验研究，试验设计了3个加筋板试样，分别模拟加筋板的梁柱型屈曲模式、筋侧倾屈曲模式和筋腹板屈曲模式。试验分析表明，在整个循环周期中，加筋板极限强度随循环次数的变化过程可分为三个阶段，极限强度快速衰减阶段、极限强度缓慢衰减阶段、极限强度趋于稳定阶段。各模型在第一阶段的极限强度衰减占比均为60%以上，在第三阶段各模型的极限强度随循环次数的增加几乎不变，各模型在极限强度快速衰减的同时常常也伴随着快速的塑性变形累积；各试样循环塑性功的衰减过程与极限强度的衰减过程类似。　　（3）利用有限元软件ANSYS数值模拟了循环载荷下加筋板极限强度试验，将数值模拟结果与试验结果进行对比，验证了有限元数值模拟方法的有效性和可靠性；探究了循环载荷下由于塑性累积而导致加筋板极限强度下降的机理。结果表明，循环载荷下由于塑性累积而导致加筋板的极限强度下降的原因主要可以归结为以下两点：（a）每一次完整循环加载后，加筋板会出现塑性累积的面外挠度，该挠度成为下一次循环加载时加筋板的初始面外挠度（b）不断累积的塑性变形和局部屈曲使得循环极限状态时加筋板的高应力区域不断向加筋板中部集中，导致加筋板有效承载区域不断缩小，继而削弱加筋板的整体承载能力。　　（4）利用有限元软件ANSYS研究了循环载荷下与单调载荷下加筋板的极限强度和屈曲模式的异同；研究了不同类型的循环载荷下加筋板极限强度的变化规律。结果表明，循环载荷下加筋板的极限强度通常小于单调载荷下相应加筋板的极限强度；单调载荷下加筋板的屈曲模式与循环载荷下加筋板的屈曲模式在大部分情况下无明显差别；对于所考虑的7类循环载荷，循环载荷类型3是一种非常危险的循环载荷类型；在研究过程中，提出了一个能表征塑性累积程度的参量，并基于Z-K公式，构建了考虑塑性累积程度的加筋板极限强度的经验公式，该公式对于预报加筋板在循环载荷下的极限强度具有一定的使用价值。
作者：	吴选福
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022