复合材料船体在下垂力矩下的纵向强度分析外文翻译资料
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Composite Structures 77 (2007) 36–44
复合材料船体在下垂力矩下的纵向强度分析
Nian-Zhong Chen, C. Guedes Soares *
Unit of Marine Technology and Engineering, Technical University of Lisbon, Instituto Superior Tecnico, Av. Rovisco Pais,1049-001 Lisboa, Portugal
Available online 22 July 2005
抽象
本文提出了一种估计复合材料船体纵向强度的方法。典型船配置具有作为优势失效模式的甲板在与下垂力矩相关的压缩下的失效。船体被建模为加筋复合板的组件。屈曲，材料失效和加筋板的最终塌陷是通过非线性有限元分析预测的，这是基于退化的三维层压复合壳更新拉格朗日公式和一阶剪切变形运动学。根据屈曲，材料失效和加筋板的最终坍塌，船体的相应纵向强度来自简化的方法。分析下陷的船体作为示例应用。
2005 Elsevier Ltd.保留所有权利。
关键词： 船体在复合材料；屈曲；材料故障；终极崩溃非线性元件分析
1.介绍
近年来改进的设计，制造和机械性能的低成本复合材料导致复合材料用于大型巡逻的使用增加船，气垫船，矿山猎人和护卫舰。目前，全复合海军舰艇长达8090米，如果这种趋势继续下去，Mouritz[1]预测，中型军舰的船体，例如长度通常为120-160米的船只，从2020年开始可能构成不相配的材料。
为了确保船体的安全设计，传统上，船体的纵向强度由钢制成长度超过60米，必须在设计时进行评估。由于相对低的刚度和相对薄的结构，复合材料中的船体的纵向失效通常比由等长的钢制成的船体梁更容易发生。随着复合材料船体尺寸的大型化，有必要研究复合材料船体的纵向强度。
复合材料中的船体通常可以被认为是一系列加筋复合板的组件。因此，知道加筋复合板的强度，可以估计复合材料中船体的纵向强度。
Smith和Dow[2,3]在理论和实验上研究了帽式加筋GRP板的抗压强度。
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*：
通讯作者。 电话： 351 218 497 468;传真： 351 218 474015。
电子邮件地址：
guedess@mar.ist.utl.pt（C. Guedes Soares）。0263-8223 / $ - see front matter 2005 Elsevier Ltd.保留所有权利。doi：10.1016 / j.compstruct.2005.06.002
进行结构试验两个大型纵向加筋GRP板代表船甲板结构。测试结果与使用折叠板的理论预测相关技术来预测初始屈曲应力和非线性有限元法来预测面板的非线性响应和后屈曲行为。然而，由于缺乏合理的失效标准，没有预测到两个板的坍塌强度。Stevens等人[4]提出了在压缩载荷作用下，加筋，碳纤维复合板的后屈曲行为的理论和实验结果。非线性有限元方法用于预测面板的屈曲和后屈曲响应。一个故障机制，涉及稳定剥离，导致最终崩溃的面板被识别和预测使用有限元法。这些结果有助于理解在相同条件下的镶嵌板的行为。
Dow[5]提出了大规模和小规模实验研究海洋结构的纤维增强复合材料的崩溃性能的结果。 在许多情况下，作者使用非线性有限元方法与提出的实验数据相关。Kim et al。[6]提出了一个分析和实验研究的后弯曲行为的稳定复合圆柱面板。他们采用渐进失效分析方法来预测在使用最大应力失效准则的分层有限元方法中的失效特性和后屈曲极限载荷。Kong et al。[7]通过基于最大应力准则和完全卸载失效模型的逐步失效分析方法，提出了石墨环氧树脂层压加筋板的后弯曲行为的理论和实验结果。
一般来说，估计加筋复合板强度的最有效方法是非线性有限元法和渐进破坏分析，其通常基于材料失效标准和退化模型。
为了评价船体的纵向强度，在不同方法的基础上开发和建立了几种方法。Caldwell[8]首先介绍了船体极限强度的概念。他引入了塑性崩塌力矩，考虑构成船体的所有结构构件的屈服的影响，承受弯矩。在Caldwells方法中，最终船体梁强度的计算不考虑单个构件在它们局部达到其极限强度之后的强度降低。一般来说，这不表示结构构件的真实的坍塌行为，而是保守的预测。为此，考虑到当塌陷时每个结构构件的强度降低（负载脱落）是非常重要的模拟船体的行为。已经开发了一些数值方法以考虑结构构件在其极限强度之后的强度降低以及时间滞后个体成员崩溃。Smith [9]提出了一种方法，其中横截面被分为由稳定器和连接电镀组成的小元件，并且在执行逐步崩溃分析之前导出单个元件的平均应力-平均应变关系，贡献的所有元素。虽然Smiths方法是基于每个加筋板单元的有限元结果，Gordo et al。[10]用简单的分析公式建模这种行为，并与实验工作进行比较表明方法的充分性[11]。
在这里报告的关于船体梁的纵向强度的研究工作是在钢结构上进行的。对于复合材料中的船体，对纵向强度的研究几乎没有做过工作，Chen等人[12,13]提出了一种预测复合材料船体纵向强度的分析方法，该方法基于简化的方法来表示复合材料板的性能。
复合材料中船体的结构性能通常由于材料的各向异性和脆性而变得复杂。在船舶建造中采用的典型复合材料的杨氏模量通常远低于钢的杨氏模量，这意味着船体的甲板或底部可能易于屈曲。复合材料的典型脆性性质不仅可能引起船体中局部区域的材料破坏，而且还导致板的残余破裂强度可忽略。
由于板的残余坍塌强度是可以忽略的，甲板中的一个或两个板的坍塌可能导致整个甲板的坍塌，因为船壳的甲板和底部通常由一系列类似的板制成，这将具有类似的强度压力载荷，由船体弯曲引起。通常，船的底部结构比甲板更强，因为船的位置和推进系统的支撑导致需要更多的材料。这意味着通常最弱的失效模式是甲板的失效，这是本文的主要关注点。
基于上述基本思想和非线性有限元分析，本文提出了一种在屈曲，材料和极限坍塌的复合材料中船体纵向强度的估计方法。
2.加筋复合板的强度分析
在本节中，刚刚描述了用于估计弯曲，材料失效和加筋复合板的最终塌陷的方法。
2.1 有限元制定
连续介质的增量方程是基于虚拟工作原理，更新的拉格朗日公式和修改的牛顿拉夫逊方法来制定的。详细描述可以在参考文献中找到。[14]。在时间t △t处的单个元素的最终增量平衡方程由下式给出
其中{△U}（i）是从时间t到t △t和元素中的迭代i的节点增量位移的向量;和是线性和非线性的矩阵;{t △t}是时间t △t的外部载荷矢量;是节点力相当于t △t和迭代i-1处的单元应力。在所有元素组装之后，迭代地通过改进的Newton-Raphson方法求解非线性方程，直到实际运动方程满足所需公差。
退化的三维层压复合壳体元件通过施加两个约束而从三维实体元件退化：（1）中间表面的法线在变形之后保持笔直，但不一定垂直于中间表面和（2）应变的横向法向分量，因此，应力被忽略。所得到的非线性公式允许大的位移和旋转壳单元和小应变。这个元素的详细描述可以在参考文献中找到。[15]。
2.2加筋复合板的屈曲
加筋复合板的屈曲载荷定义为
其中R是负载缩放，lambda;min是等式（3）
的最小特征值，其中
2.3 加筋复合板的材料失效
为了确定复合板材的材料破坏，本文采用了蔡武准则[16]。如果在加筋复合板的任何高斯点处满足以下单一条件，则认为材料失效已经发生
其中бi表示参考主材料坐标的应力分量;Fi和Fij是由材料强度组成的参数。
加筋复合板的材料破坏载荷定义为可导致的最小载荷到复合材料板的材料失效。
2.4 加筋复合板的最终坍塌
在参考文献中开发的渐进失效分析。[15]，其基于有限折扣方法[17-20]，其中假设损坏材料被具有退化性能的等效材料代替，以估计加筋复合板的最终塌陷。下面简要描述在渐进失效分析中使用的步骤的概要。
1.在每个加载步骤，执行非线性有限元分析，直到实现收敛解。计算在每个高斯点处每层的中间的全局坐标中的应力。然后，这些应力被转换为主材料坐标。
2.失效指数F，在公式（4）。如果发生故障，（a）识别主要故障模式，（b）降低在该高斯点处的相应层板模量，以及（c）重新计算层状结构，并在相同负载下重新开始非线性有限元分析。
3.如果没有发生故障，则继续下一个加载步骤。
加筋复合板的最终塌缩载荷定义为加筋复合板的刚度矩阵变为奇异的载荷。
与实验结果的比较已经在参考文献[15]，结果表明，这里描述的分析方法可以提供足够的准确性的强度估计的加筋复合板。
3.船体在复合材料中的纵向强度
在本节中，考虑复合材料船体的三种失效模式，并分别开发相应的纵向强度。
复合材料船体的首次失效模式是屈曲。 通常在船体设计中使用的GRP层压材料的拉伸和压缩强度近似等于软钢的屈服强度，并且这种层压材料的杨氏模量仅为钢的杨氏模量的5-10％。因此，屈曲可能是船体在复合材料中的重要失效模式。
复合材料船体的第二种失效模式是材料失效。与钢不同，船体中使用的FRP的性质通常是方向依赖性和脆性的。船体局部区域的材料破坏可能随着纵向弯矩的增加而发生，这将影响结构性能或导致局部结构破坏。因此，需要将材料失效作为复合材料船体的重要失效模式。
复合材料船体的第三种破坏模式是最终破裂。由于极端纵向力矩的船体最终崩溃是最灾难性的失效。
3.1 假设
为了保持包括可接受的计算量的准确的精度，做出以下假设：
1.船体梁被假定为欧拉-纳维尔梁。当受到弯矩时，船的横截面保持平面，并且横向约束对纵向应力（泊松比的影响）的影响是可以忽略的。
2.纵向塌缩仅发生在两个相邻的横向框架之间。
3.假设每个端板复合板的故障单独和独立发生。
4.假设船体的质量是完美的，没有考虑到局部损害和缺陷。
3.2 船体的屈曲
根据假设1，船体临界段的横截面由于船体梁挠曲而保持平面，并且法向应变e在横截面的垂直方向上线性变化。那是
其中ZNA是横截面的瞬时弹性中性轴，并且可以从等式（6）。z是与ZNA的距离;Z是横截面的垂直坐标;Phi;是横截面的曲率。
其中Ai和Ei表示第i个元件的横截面积和杨氏模量;N是横截面中元素的总数;Zi是元素i的垂直坐标。
下一步是使用2.2节中描述的公式计算每个面板的屈曲应变sum;ib。然后将这些值与每个板的平均弹性船体梁弯曲应变值sum;iu=ziPhi;进行比较，其中zi从中性轴到板中最远的定位点测量，以确定哪个板首先弯曲。第一加筋板屈曲的船体梁Phi;b的相应曲率由下式给出
其中Np代表横截面中加筋面板的总数，MIN（AElig;）是获得括号中变量的最小值（大小）的函数。
然后，船体的屈曲强度定义为其中表示船体梁的弯曲刚度，Ii为第i个元素的惯性矩。
重要的是要注意，本文中的船体的屈曲强度的定义意味着假定任何加筋板在临界段横截面上的屈曲导致船体的屈曲。这个假设可能不总是被验证，但是船体的估计屈曲强度则是保守的。在大多数船舶中，甲板中的大多数加筋板将具有大致相同的压降强度，并且在底部中的加筋板的情况也是如此。在甲板或底部的一个加筋板的失效可能会增加甲板或底部的屈曲的可能性，这通常导致船体的屈曲。 因此，由纸估计的屈曲强度可能接近船体的实际屈曲强度，尽管它是保守的近似。
3.3 船体材料失效
与第3.2节类似，第一步是使用第2.3节中描述的公式计算每个加筋板的材料破坏应变sum;im，然后当第一加筋板发生材料破坏时，船体梁的相应曲率Phi;m给定
因此，复合材料船体的材料破坏强度定义为
3.4 船体的最终崩溃
一般来说，船体塌陷中的加筋板不仅包括平面内的连接损失，而且还包括总承载能力的快速和渐进的损失。当加筋面板塌陷时，它将减轻其他成员的负担。因此，总的最大强度和坍缩速度取决于固化板崩塌的特定顺序，并且这只能通过严格和精确的增量类型的分析来确定。
在船体的大多数结构板中，例如甲板，侧面和舱底，结构相同或尺寸或间距适中。对于所有这样的面板，如果施加的应变大致均匀，则第一定子的塌陷标记定影面板的塌陷，因此不需要对每个定影面板执行计算。因此，可以假设在每个加筋板崩塌之后，它没有强度，并且将其整个负载释放到其他加筋板上，这是休斯简化方法的基本思想[21]。
这是与Smith[9]和Gordo等人的方法相比的简化。[10]，这也是面板的残余强度。然而，尽管钢板仍然具有显着的塌缩后强度，但是复合材料倾向于具有更脆的行为，这可以简化而不考虑塌缩后强度。下面介绍了复合材料船体纵向极限坍塌强度的估计方法。
步骤1.获得第一个平衡失效点
第一平衡点通过使用在第2.4节中导出的渐进失效方法计算船体梁的临界段中的每个加筋板的极限应变
sum;
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