基于试验结果和量纲理论的船体梁极限强度评估外文翻译资料
2022-07-28 10:57:33
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基于试验结果和量纲理论的船体梁极限强度评估
Y. Garbatov, S. Saad-Eldeen1, C. Guedes Soares
海洋技术工程中心（盛科）、葡萄牙里斯本理工大学高级研究所
文章信息：2015年1月11日收到，2015年5月28日修订，2015年6月1日接受，2015年7月14日上网。
摘要：这项工作的目的是在实验结果和量纲理论的基础上根据船级社的规则进行船体梁极限强度的验证。三箱梁的极限强度实验结果表明：不同船龄结构的船舯剖面在真实的海水腐蚀环境中表现出的不同程度腐蚀损坏可以用来评估结构的极限强度。实验测试中的结构模型是此项分析的基础，它保证了模型和实际结构之间的一阶相似性。目前的分析可以用来验证全球船体结构在结构设计阶段或在使用过程中的极限强度并用来校准新发布的规则。
关键词：试验分析；极限强度；船体梁；量纲理论
1引言
关于船体结构极限强度目前已经进行了大量的研究工作。在这方面的第一个工作是由 Caldwell完成的[1]。在此之后提出了一种极限强度的评估方法[2]，包括受压部分的屈曲崩溃效应。该方法假定骨架结构是纵向的。假定一个梁段的崩溃发生在相邻两个框架之间，不是由受压板上的相邻弯曲梁奔溃引发就是由受拉板上相邻结构屈服导致。这个理论是基于两个假设，即：整体板架失稳压力高于相邻梁列的崩溃压力，这需要横向框架具有足够的刚度来给纵向加筋板提供支持，切应力也高于相邻结构的崩溃应力。这两个假定在设计过程中，横向框架和纵向结构的相应尺寸满足合适的设计约束中都可以实现。
为了评估极限强度，人们在过去的几十年里提出了很多种简化的方法。当把系统误差与屈服强度、极限抗压强度和截面的影响联系到一起统一考虑后，Faulkner 和Sadden[3]提出了一种极限弯矩计算公式。假设弹性变形保持到纵向受压翼缘崩溃则船体立即崩溃这样一个状态点，则Viner [4]提出了一种计算极限弯矩的表达式。Frieze 和 Lin[5]提出了描述一般受压翼缘极限强度的函数，用来表示通常情况下船体极限弯曲承载力。Paik 和Mansour[6]提出了预估纵向弯矩作用下单壳和双壳船的极限强度的一种新的表达式。为了计算极限受压强度，Paik和Thayamballi[7]导出了加筋板的极限受压强度经验公式并由做过的细长列加筋板的崩溃实验结果表明可以作为板的函数。所有方法的控制因子都由公式完整的给出，非降解结构是满足细长比的板。
最近，在Saad-Eldeen[11]等人中提出了计算极限强度的新方法[8-10]，验证了在本文中使用的一些简化的方法用来评估最初腐蚀箱梁的极限强度的适用性，并指出Caldwell修改的方法给出了几乎与实验结果相同的结果。 Viner[4]方程，Paik和Mansour[6]等提出的方法与实验结果表现出很好的一致性。另一方面，对于中度腐蚀的箱梁，唯一表现出对极限强度的良好预测的表达式是由Faulkner和Sadden[3]提出的。
进行逐步崩溃分析的可替代方法可以是理想化结构单元法，其最初在文献[12]中提出对船舶结构的横向框架进行逐渐崩溃分析。在那之后，用来进行船体梁在纵向弯矩作用下的逐渐崩溃分析的理论得到发展。当这种方法用于评估船舶的双层底的强度时可以有效提高这种方法的准确性。 现在的理想结构单元法已经应用来考虑组合的单轴，双轴压缩和横向负载等情况的强度。
有限元方法（FEM）经常用于预报板和加筋板的极限强度，其中考虑了几何非线性和材料非线性。 可以说，使用有限元法来进行板和加强板的极限强度预测是很直接的。 有限元法也可以是对船体梁进行渐进崩溃分析的有力方法。 然而，船体梁太大，不能通过普通的有限元法来进行渐进崩溃分析，这需要一些简化的方法[13]。
人们在过去三十年里积累了大量关于板，加筋板和面板变形的经验。 在文献[14]、[15]和[16]中，已经提出了许多基于实验或数值计算结果的经验公式用于板、加筋板和面板的极限强度评估。
实验结果可以提供人们第一手信息去了解研究结构的崩溃行为。因此，人们通过在箱形梁中剖面处施加纯弯载荷直到达到它的极限极限承载能力来模拟船舶中剖面处的变形破坏情况，如此类似的工作目前已经做了许多。箱形梁的典型结构是板，加筋板和横向框架。
在过去的几十年中，各种箱形梁在文献[17]、[18]、[19]、[20]和[21]中已经分别被实验。最近，一个代表船中段的多跨加强箱形梁的极限强度试验在文献[22]中已经开展并发表，这是在这里使用的三个腐蚀箱形梁系列之一。 其中箱形受到的载荷方式是四点弯矩。 之前研究的补充在已发表的文献[11]中有提到，其中分析的箱梁结构受到中等程度的腐蚀恶化的影响。并且在文献[22]中提出了延伸的腐蚀箱梁试验，其中严重腐蚀的箱梁是在相同条件下测试的。
文献[23]中进行了腐蚀钢结构箱形梁基于实验结果的极限强度腐蚀性分析。 提出了两个腐蚀性公式来评估腐蚀结构的极限强度以及极限弯矩。 已经研究了腐蚀相关的力矩 - 曲率关系，考虑到所测试的箱形梁的几何特性和材料性质的变化，还进行了腐蚀力矩和相关曲率的关系研究。
文献[24]中提出的工作分析了腐蚀劣化对承受拉伸载荷的试样的影响。 腐蚀测试的试样是从一开始就在实际海水条件下腐蚀的箱梁上切割得到的。可以观察到，对于具有超过20％退化程度的腐蚀钢材样品，强度的降低是很显著的。 屈服应力和拉伸强度的降低又存在差异。 屈服强度的降低是非线性的，但拉伸强度的降低却是线性的。 基于回归方程，做出了腐蚀钢板的等效应力 - 应变曲线并作为腐蚀退化程度的函数，它确定了实验的真实应力 - 应变曲线与杨氏模量、屈服应力、韧性和硬化参数之间的关系。
文献[25]中验证并讨论了腐蚀退化对腐蚀钢结构箱形梁的极限强度、耗散能量、塑性、延展性和弹性极限的影响。 可以观察到刚度、应力 - 应变关系和弹性模量在显著地降低。
文献[26]中分析了由与腐蚀的箱形梁相同的材料制成的样品，并且证明了由于裂纹扩展是从腐蚀坑开始和腐蚀钢机械性能的改变的原因，加筋板的严重腐蚀降解可以将疲劳强度从FAT100降低到65MPa。
文献[27]中通过使用不同的弹塑性材料的应力应变模型，对腐蚀箱形梁的一系列非线性崩溃现象进行了数值仿真分析研究。考虑到残余应力效应和后屈曲行为以及腐蚀降解对材料机械性能的影响，文中已经研发了一些不同弹塑性的模型材料。 通过对数值仿真和实验结果之间的比较，观察到两者之间呈现出非常好的一致性。 此外，已经对文献[28]中给出的严重腐蚀箱形梁进行了一系列非线性有限元分析，其中采用了两种腐蚀降解程度的模型，一种用于一般情况下腐蚀厚度均匀减小，另一种用于腐蚀厚度真实分布的腐蚀板。考虑到腐蚀对弯曲刚度的影响，文中还给出了新的应力 - 应变关系曲线。
这项工作的目的是根据船级社规范[29]来校核由量纲理论缩放的船体梁极限弯矩实验结果。使用三个箱梁的极限强度试验的结果来模拟船舯部分的变化，用船舯部分在腐蚀性海水环境中来模拟不同船龄的船舶结构不同水平的腐蚀降解。分析的结构模型基于一阶相似理论并考虑非线性结构响应的影响。
2结构模型设计
定义结构模型为结构或结构的一部分的物理表示。文献[30]中对结构模型的定义是：结构模型是实验中的结构单元或按缩尺比得到的结构单元的集合。而且文献中为了处理得到实验结果，必须使用相似定律。
任何结构模型的设计、加载和求解计算必须根据一组与真实结构相关的相似性准贼来进行。 这些相似准则基于建模理论，它们可以从有关结构变形的物理现象中由量纲理论推导得到。
量纲数据具有定性和定量的特征，可以用来表示说明和测量有关的物理数量。自然界中的一些基本度量的定性特征可以描述自然现象。这些基本度量通常被称为量纲[ 31 ]。
量纲分析在涉及结构变形的任何研究中都具有显著的益处，因为它可以将许多未知的变量组合成方便的pi;项组，然后大大减少了未知量的数量。
此处对经受两个已知力P的简单支撑梁的截面处的最大应力的问题进行了试验估算，产生所谓的四点弯矩分析（参见图1）。
图1 受四点弯曲的简支梁
假定应力sigma;是载荷P和跨距l或F的函数，即（P，l，sigma;）=0。 这种形式的方程可以看成文献[32]中提出的形式的幂的乘积：
sigma;=KPalpha;lgamma; （1）
其中K是无量纲参数。从量纲的角度来看，方程（1）可以写成方程（2）或方程（3）FL-2 =Falpha;Lgamma;的形式：
FL2 =Falpha;Lgamma; （2）
FL-2 =Falpha;Lgamma; （3）
其中F和L分别是力和长度的量纲表示。量纲一致性要求在等式的每一侧施加的力的量纲要一样，或者说等式两侧每个基本测量量的指数必须相等，这导出：
alpha;= 1，gamma;= -2
由此，方程（4）中
sigma;= K（P1） （4）
其中K可以通过实验确定。值得注意的是，单从量纲分析就已经表明sigma;必须是（P1）的函数。由数学导出该问题的求解方程：
（5）
其中alpha;1，alpha;2和alpha;3是取决于梁的几何形状的常数，并且它们有如下的关系alpha;1alpha;2/alpha;3= K。对这个问题进行量纲分析不能确定常数alpha;1alpha;2/alpha;3的大小。
文献[32]中的白金汉定理指出，涉及特定物理量的任何量纲一致性方程均可以简化为涉及一组无量纲乘积的等效方程。真实的数学模型是可以保持完全相似的。文献[33]指出，任何满足适当的量纲分析规定的模型都将是完全相似的。
完全相似性在所有结构模型中都是理想的，但通常，经济和技术条件的束缚使得真实结构与研究模型保持完全相似性的可能性不大。一般通过忽略某些二阶效应，可以进行适当的模型研究以获得结果可以精确地预报出真实结构的变形。
如果实验方法可用于分析和设计，则可能需要适当降低phi;函数的比值等于1的限制。当注意到数学模型在1附近或直接等于1时，可认为它们满足一阶相似性。
然而，一般可以允许任何偏差，只要可以用某种方式来确定这种偏差可能带来的影响。已经知道。完全相似性要求数学模型与实际模型比等于1。当完全相似性的某些二阶偏差可以忽略的时候，该比率可以近似等于1，如果完全相似性的一阶偏差可以忽略，则一般来说，所得到的模型与真实的比值将是未知的。
3弯矩承载能力评估
在结构的设计和分析中使用的最有用的建模技术是能够预报非弹性变形和弹性变形并且能有效地研究结构的失效模式的建模技术。 这些技术限制了模型，材料及其制造方法的选择。现在考虑静态载荷作用在结构上的第一种情况。
3.1 样品描述
这里分析是形状为箱形梁的3个试样的极限强度测试的的实验结果，其长度，宽度和深度分别为1400mm，800mm和600mm，具体形状参见图 2（左）。 在极限强度试验之前，箱梁暴露在波罗的海的海水中，没有任何防腐蚀（没有涂层）。 将测试的箱梁放置在大型罐子中，并将海水连续泵入罐中。 通过海水搅拌提高海水温度，增加氧去极化子过程速率，导致腐蚀速率增加。 图2（右）显示了在没有阳极极化的热海水中进行腐蚀试验之后的箱梁，关于腐蚀产生的更多具体细节在文献[34]中给出。
图2（左）单壳箱梁模型 图2（右）腐蚀试验后
任何箱梁都是由3个舱室组成。 多舱而不是单舱的使用使得模型具有和船壳更多相似的地方，如此可以避免中央板的边界条件的影响。这是考虑到由于负载的可能的偏心和相邻板之间的干扰 。
甲板面板用五个间距为150mm的纵向扁钢进行加强。 侧板分别用两个加强筋进行加强，它们的位置是从底板起向上的距离为300和500mm，并且在底板中间用一个加强筋进行加强。
分析箱梁的几何布置如图 2（左）所示。 板和加强筋的完工厚度为4.5mm。
在进行三个腐蚀的箱梁极限强度试验之前，进行了腐蚀厚度的调查和测量，以便得到腐蚀箱梁的结构单元的剩余厚度。腐蚀数据包括636个腐蚀厚度测量值，每个箱子有212个测量值，这和文献[23]中所描述的一样。图3展示了初始和严重腐蚀箱梁的甲板板的测量板厚分布。测量得到的初始，中度和严重腐蚀的箱梁的甲板板平均腐蚀厚度分别是0.41mm、2.31mm和2.62mm。这个腐蚀深度的得出是与由上限为95％置信区间而定
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