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船舶典型复合结构的极限强度分析

沈伟a,b, 严仁军a, 罗柏璐c, 朱英富c, 曾海燕a

a高性能船舶技术重点实验室（武汉理工大学），教育部，武汉430063，中国。

b海洋工程国家重点实验室，上海交通大学，上海200240，中国。

c中国舰船研究设计中心，武汉 430064，中国。

摘要:为了解决船舶结构复合L型接头损坏失效的问题，利用逐步损伤分析法和试验方法来研究船舶结构复合L型接头的失效和极限强度。在结构失效过程和压缩载荷下的节点的失效强度上，已经展开了许多研究。 虽然实验和数值结果表明了夹层板在轴向压缩载荷作用下的轴向应变在达到极限之前慢慢增加 ，但是在夹层板裂开前，随着轴向应变的缓慢增加，一旦载荷超过极限载荷，构件的承载能力迅速减小。 夹层L型接头主要的失效原因是内部与表面的分层，纤维失效，基础剪力失效和PVC失效。在数值结果和实验结果之间吻合较好，这为夹层复合节点的设计提供了一个方向。

关键词：复合材料；夹层L型接头；极限强度；实验研究

1.绪论

作为一种新型功能材料，复合材料呈现出优异的性能，如高速度，低排放，使用寿命长以及海洋环境中较好的舒适性^[1]。此外,由于重量轻，高强度，复合材料正逐渐应用于船舶建造中^[2-5]。然而，复合材料的各向异性和脆性特性使得应力分布和复合节点的失效形式远比金属结构复杂^[6]。复合材料失效是内部微观损伤的积累和材料退化的过程。由于微观损伤的多样性，失效过程缺乏规律性。所以，利用试验方法分析复合节点的的机械特性是很必要的。

史密斯和道^[7]在忽略加筋板的刚度折减的情况下，预测了复合加筋板在轴向压缩载荷作用下的极限承载力，道^[8]完成了船用复合材料层合板和加筋层合板的一系列极限强度试验。陈，等人^[9]用梁柱理论和史米斯法分析了复合材料船体的纵向极限强度和可靠性。基于一阶剪切变形理论和剪切修正系数，普拉斯提^[10]讨论了钢筋对极限强度的影响，但他的研究忽略了弹性范围内破坏层的刚度。唐等人^{[11 12]}研究了在轴向荷载作用下的加筋复合材料层合板压的压缩极限强度，之后还讨论了层数和厚度对极限强度的影响。然而，只有少数的实验了分析了夹芯复合材料的极限强度。

目前，由于材料失效准则不完善，实验数据不足，逐步失效分析法存在缺陷，因此复合材料结构的极限强度分析还处于发展阶段^[13，14]。实际上，复合材料结构的失效在实际工程中普遍存在。在初始加载过程中，薄弱部分将首先被破坏，这将导致应力重新分布。事实上，这种损伤在宏观上是看不见的。随着载荷的增加，损伤区域将会扩展、结构刚度退化，直至最终失效。考虑局部破坏和材料退化，逐步失效分析方法能较好地模拟复合材料结构的失效过程和极限失效载荷。因此，在本文中，实验方法和逐步损伤分析法将对比研究造船夹层L形接头的极限强度。

2.实验分析

目前，发展完善的海上结构物正在大范围的使用复合材料。应用研究包括完全用复合材料建造的大型巡逻艇、气垫船、扫雷船和护卫舰^[15]。如图1所示，最简单的板梁结构由板、加强筋和支架组成。在静态循环载荷作用下，这些拐角的应力集中导致裂纹的萌生和传播^[16]。因此，在本文中几个全尺寸的夹层L型接头被用来分析这些拐角的极限强度。，在图一中的试样草图的简略图中，在船舶中拱或中垂时，拐角处是应力集中区域

图一 复合船的框架示意图

2.1. 样品和设备

如图二所示，夹层L型样品被用于这个实验中。主体由泡沫夹层板制成。 两个夹层板以105°相接，纵向钢筋采用圆弧过渡支架沿角接入，同时L型接头的末尾被固定的垂直螺旋器和底座上（见图三）。为了避免局部失效，接头两端设计为实心芯板。此外，在实心芯板和夹层板之间还设计了过渡区域。 考虑到这样的结构元件的实际边界条件，工字钢板被固定在两端，同时竖向载荷是由图3中的MTS螺线器作用于上面的压块上。

(a) (b)

图三：样品和设备(a) 试样夹具; (b) 测试平台

所有的测试都在MTS322测试与分析系统上研究。垂直螺线器则是被用来模拟弯曲应力状态。样品的底部与固定的工作平台连接在一起，顶部与螺线管相连接（见图二、三）。五个全尺寸的L型接头在相同的压缩载荷和边界条件下进行测试。这五组样品被标记成U1、U2、U3、U4、U5。

2.2. 静态应变测试实验

为了模拟拐角附近的真实应力状态，在做极限强度试验之前先进行应变测试和线性分析。如图四所示，31个单向应变片和6个矩形应变片布置在靠近拐角附近的应力集中区域。为了增加数据的可比性，点6-7、12、15被对称的安排在弧形中心点10号点附近。

(b)

图四.应变测量： (a) 测试点的分布; (b) 测试标本

在测试过程中，压缩载荷被逐步的加载上去，这些载荷被分成15-20个等级，同时在0K、2kN......9kN、10kN......的载荷下收集应变数据，知道加载到断裂载荷。如表一所示

表一 每一步的载荷

载荷等级	Level 0-4	Level 5-8	Level 12.5-13-13.5-14	hellip;	Level N
载荷(kN)	0-2-4-6-8	9-10-11-12			断裂

试验品U1的主要应力集中点的数据被收集用来观察应变的变化。如图五中的a所示 ，随着应变等级的增加，点8、点11和点13测出的应变结果一直平稳的增大。 至于点6、7、10、12和15，应变值则是关于中心点10号点对称分布。（弧形中心，见图五b）

(b)

图五.在不同载荷下试验品U1的应变结果: (a) 点8、11和13(b) 点6、7、10、12和15.

考虑到个体的差异，不同的试验品U1和U2的载荷-应变曲线也在图六中作对比。 虽然试验品U1和U2之间的试验结果有一定的差异，但是变化的趋势是一致的。结果表明，关键点的应变变化是合理的。

(a)

(b)

图六 试验品U1和U2的载荷-应变曲线: (a) 点4和点6; (b) 点7和点10

由于拐角处复杂的应力应力状态，6个直角应变片同样的被对称的分布在拐角周围（见图四a）。 至于这矩形应变片（见图七），主应变和相应应变的方向解的解决方法如下所示^[17]：

其中ε₀ ,ε₄₅ ,ε₉₀分别是代表了在选择区域的线应变

举例来说，在4kN的载荷下的矩形应变片的测量结果被列在表二和图八中。如图八所示， 主应变的变化方向几乎沿着肘板的边缘，这可能会导致局部损伤。

图七 矩形应变片

表二 4kN载荷下矩形应变片的测量结果

主应变(micro;ε)

测量点 方向 (°)

ε1 ε2

1. 522 -1385 4.21
2. 544 -972 -0.76
3. 943 -2204 -9.89

数值分析

3.1. 分析过程

在本文中 ，采用逐步损伤分析方法来模拟了在轴向压缩载荷作用下的夹层节点的损伤和失效过程。该过程如图九所示。 复合结构的失效开始于较低的载荷水平，再以渐进的方式发展直到最终的失效。应此，逐步失效分析理论正在被开发和应用到夹层接头的分析上。 基于ABAQUS的有限元建模和应力应变分析，这种理论可以预测损坏的开始和局部渐进特性、失效的形式以及接头的极限强度。按照失效标准，它决定了损坏的开始。如果检测到故障，同时根据一个失效准则，那么根据一个特定的退化模型，材料的特性会被改变。 然后，利用改善的材料特性来重新建立结构的平衡。 载荷的级别逐渐递增直到检测到结构的突变失效

定义初始状态

载荷，Pj

小量Delta;P

建立均衡的非线性分析

否 是

预测最终失效载荷

获得融合解决方案？

重新建立平衡？

是 否

应力恢复程序计算应力/应变

停止

是

材料的退化性能

失效检测？

否

载荷增量

3.2失效准则

复合材料层合板的失效准则主要是理论分析的近似值或者实验结果的曲线拟合。大多数的复合材料的失效准则（蔡-希尔准则，蔡-吴准则和霍夫曼准则）已经被当作是将米塞斯准则拓展到二因次判别。由于失效准则是用多个单应力分量来评估不同的失效形式，所以Hashin失效准则^[18]与其他失效准则相互作用。Hashin准则最初是作为单向聚合物复合材料的失效准则。因此，有必要改善层压板或非聚合物复合材料的Hashin准则。 Shokrieh^[19]提出了在三个方面修改后的失效准则，如表3所示。此外，分层失效也应该考虑，因为它是最常见的失效形式之一^[20]。

典型的失效形式和准则被总结在表3。这些失效准则中，这些原材料的拉伸和压缩失效以及纤维基体剪切失效都被XT、Xc、YT、Yc、S12、S13、S23所决定。用给出关键点的应变和材料刚度系数，利用ABAQUS的子程序UMAT来模拟在材料坐标系的应力情况。在这些应力结果的基础上，可以验证基于应力的失效准则以及相应的改善材料退化。

表三.失效形式和准则

	失效形式	失效准则	场变量
平面失效	纵向拉伸失效		FV1
	纵向压缩失效
	横向拉伸失效		FV2 <!-- 全文共10158字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[143951]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word