極限強(qiáng)度

基于通用有限元系統(tǒng)，結(jié)合船體破損機(jī)理和初始缺陷處理方法，建立船體極限強(qiáng)度非線性有限元分析的完整框架。利用對(duì)水面艦船和雙殼油船極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)的比較驗(yàn)證，合理解決非線性有限元分析的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)完整和破損船體極限強(qiáng)度進(jìn)行非線性有限元法分析。然后，在模型試驗(yàn)和非線性有限元分析的基礎(chǔ)上提出面向設(shè)計(jì)的適合破損船體和雙向彎曲狀態(tài)的船體極限強(qiáng)度分析的改進(jìn)解析方法。

極限強(qiáng)度完整和破損船體極限強(qiáng)度非線性有限元分析

以帶上層建筑的某A船極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)為例，基于建立的船體極限強(qiáng)度非線性有限元分析的完整框架，對(duì)A船中拱極限強(qiáng)度進(jìn)行分析。利用縱向和橫向?qū)ΨQ條件，選取船舯1/4艙段為分析對(duì)象，附加適當(dāng)長(zhǎng)度的加載段，在加載段施加線性分布載荷，選取合理的邊界條件。此時(shí)上層建筑大部分已屈服，底部發(fā)生屈曲，而中和軸附近保持彈性狀態(tài)，彈性區(qū)域偏向受壓底部。A船中拱彎矩與縱向位移關(guān)系還給出了理想結(jié)構(gòu)單元法和解析方法的計(jì)算結(jié)果，三種方法的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)吻合。

艦船在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中面臨著來(lái)自空中、水面和水下的各種常規(guī)武器 (如反艦導(dǎo)彈、激光炸彈、魚(yú)雷和水雷等) 的攻擊，爆炸破損在艦船船體橫剖面上的位置是全方位的?；诮⒌拇w極限強(qiáng)度非線性有限元分析的完整框架，模擬某B船上舷側(cè)爆炸破損典型工況，利用縱向?qū)ΨQ條件，選取船舯1/2艙段為分析對(duì)象，附加適當(dāng)長(zhǎng)度的加載段，在加載段施加線性分布載荷，選取合理的邊界條件。由于剩余有效剖面的非對(duì)稱性，剖面極限中和軸不再與基線平行，極限中和軸相對(duì)于彈性中和軸發(fā)生平移和轉(zhuǎn)動(dòng)；受拉邊緣屈服，受壓邊緣屈曲，而極限中和軸附近保持彈性。

極限強(qiáng)度船體極限強(qiáng)度分析的改進(jìn)解析方法

在船體極限強(qiáng)度研究的理論方法中，直接方法和簡(jiǎn)化方法是面向設(shè)計(jì)的方法。對(duì)于破損船體結(jié)構(gòu)非對(duì)稱的情況，彎矩與曲率方向在非彈性階段不再存在固定的關(guān)系，簡(jiǎn)化方法需由插值計(jì)算得到破損船體極限強(qiáng)度。直接方法中的線彈性方法十分簡(jiǎn)單，但計(jì)算精度可能不好，因?yàn)樵趬嚎s邊緣屈曲后船體性能不再是線性，剖面中和軸的位置將發(fā)生變化；使用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于常規(guī)船型可以得到合理的解，但人們?cè)谟媒?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算新的或通用船型時(shí)必須小心，因?yàn)樗鼈冇捎邢薜臄?shù)據(jù)導(dǎo)出；而解析方法通過(guò)假設(shè)船體剖面在極限狀態(tài)下的應(yīng)力分布，考慮壓縮邊緣屈曲和拉伸邊緣屈服由理論計(jì)算得到船體極限強(qiáng)度，可以更精確地包括不同剖面和材料的影響。Paik和Mansour (1995) 基于極限狀態(tài)時(shí)中和軸附近材料保持彈性狀態(tài)和彈性區(qū)域偏向受拉一側(cè)的假設(shè)，推導(dǎo)了完整船體極限強(qiáng)度的解析公式，比較研結(jié)果表明，雖然解析方法沒(méi)有顯式地包含結(jié)構(gòu)構(gòu)件的卸載效應(yīng)，但只要假設(shè)的剖面應(yīng)力分布合理，還是可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

大量的模型試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果驗(yàn)證了Paik極限強(qiáng)度模型中關(guān)于在船體梁達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)中和軸附近材料保持彈性狀態(tài)的假設(shè)，但同時(shí)也質(zhì)疑Paik極限強(qiáng)度模型中關(guān)于彈性區(qū)域偏向受拉一側(cè)的假設(shè)?；诖w極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)和實(shí)船有限元分析，結(jié)合板和加筋板格極限強(qiáng)度分析的彈塑性法，提出面向設(shè)計(jì)的船體極限強(qiáng)度分析的改進(jìn)解析方法。該改進(jìn)解析方法的基本步驟是：

1、將船體剖面離散化為加筋板格，利用EPM法計(jì)算其屈曲極限強(qiáng)度；

2、極限狀態(tài)時(shí)船體剖面拉伸邊緣屈服，壓縮邊緣屈曲，而在剖面中和軸附近保持線彈性狀態(tài)；

3、剖面彈性區(qū)域由完全屈服和屈曲應(yīng)力分布模型中拉伸力心和壓縮力心在垂直于中和軸方向的位置確定；

4、極限狀態(tài)剖面中和軸的位置和方向由平衡條件確定；

5、船體極限彎矩可表示為彈塑性應(yīng)力分布模型中拉伸力與拉伸力心和壓縮力心之間的距離的乘積。

綜述船舶極限強(qiáng)度研究現(xiàn)狀，包括平板及加筋板及船體梁極限強(qiáng)度的計(jì)算分析方法，以及平板和加筋板、船體梁和實(shí)船極限強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

極限強(qiáng)度板和加筋板極限強(qiáng)度分析

研究船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，首先要從板和加筋板的極限強(qiáng)度計(jì)算分析開(kāi)始，船體板及加筋板的極限強(qiáng)度研究方法主要包括經(jīng)驗(yàn)公式和解析法、有限元法和試驗(yàn)法。

在ISSC2000技術(shù)委員會(huì)建議對(duì)聯(lián)合載荷作用下加筋板的極限強(qiáng)度進(jìn)行研究后，一些學(xué)者對(duì)具有凹痕、開(kāi)孔板的極限強(qiáng)度和鋁制加筋板極限強(qiáng)度等進(jìn)行研究。張少雄等基于有限元計(jì)算結(jié)果，給出單軸壓力作用下的簡(jiǎn)支板中的凹痕形狀、尺寸及位置對(duì)板極限強(qiáng)度的影響，并用曲線擬合方法得到了預(yù)報(bào)凹痕板極限強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。Paik基于有限元分析結(jié)果提出在邊界剪切載荷作用下開(kāi)孔板的極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)公式，并給出雙向軸壓、邊界剪切載荷作用下開(kāi)孔板極限強(qiáng)度的關(guān)系。Masaoka等提出一個(gè)計(jì)及初始缺陷影響的在壓縮載荷作用下加筋板簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方程。Rizzo等基于大量有限元計(jì)算結(jié)果，提出一種預(yù)報(bào)純剪切載荷作用下加筋板極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)的簡(jiǎn)化方法，并給出不同幾何尺度和初始缺陷下的放大系數(shù)。

隨著計(jì)算技術(shù)和非線性有限元的發(fā)展，許多大型通用有限元程序，如Marc，Ansys，Abaqus等，已經(jīng)應(yīng)用到加筋板極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)中。有大量關(guān)于平板以及加筋板極限強(qiáng)度的有限元法研究。但是隨著快速船舶的發(fā)展，鋁制加筋板對(duì)于輕型運(yùn)輸系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。而鋁制結(jié)構(gòu)與鋼制結(jié)構(gòu)不同，熔焊所產(chǎn)生的熱影響區(qū)對(duì)結(jié)果極限強(qiáng)度有較大影響。因此，研究鋁制加筋板的極限強(qiáng)度也就顯得非常重要。

一些學(xué)者對(duì)于凹痕、腐蝕以及疲勞裂紋對(duì)極限強(qiáng)度影響也開(kāi)展了大量的仿真研究。Nakai等對(duì)不同點(diǎn)蝕分布的板的強(qiáng)度進(jìn)行研究，并討論在面內(nèi)壓縮和彎曲載荷作用下點(diǎn)蝕對(duì)極限強(qiáng)度的影響。Ok等通過(guò)非線性有限元軟件，完成在局部點(diǎn)蝕的影響下平板極限強(qiáng)度的計(jì)算。Huang等對(duì)計(jì)及點(diǎn)蝕影響的板在軸壓下的極限強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究點(diǎn)蝕體積與極限強(qiáng)度之間的關(guān)系。

極限強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)

船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)是研究船體縱向極限強(qiáng)度的主要方法之一，模型試驗(yàn)可以代表船體總縱極限強(qiáng)度，采用縮尺模型，可以減少試驗(yàn)難度，降低試驗(yàn)成本；通過(guò)試驗(yàn)，可以比較直觀的研究結(jié)構(gòu)在外載荷作用下從局部到整體逐步漸進(jìn)的崩潰過(guò)程。由于實(shí)船試驗(yàn)耗費(fèi)巨大，并且很難進(jìn)行實(shí)船極限強(qiáng)度試驗(yàn)，因此，實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)行得很少，更多的是進(jìn)行加筋箱型梁模型試驗(yàn)，雖然試驗(yàn)對(duì)象不再是船舶的縮尺模型，但為船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度理論預(yù)報(bào)方法的驗(yàn)證提供了許多有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

Paik等通過(guò)試驗(yàn)方法研究具有初始裂紋的平板在軸線壓縮或拉伸載荷作用下的極限強(qiáng)度以及具有初始裂紋的箱型結(jié)構(gòu)在軸向壓縮載荷作用下的極限強(qiáng)度。Gordo等采用名義屈服應(yīng)力為690MPa的高強(qiáng)度鋼制作3個(gè)不同細(xì)長(zhǎng)比的箱型梁模型，通過(guò)四點(diǎn)彎曲的加載方式，完成箱型梁極限強(qiáng)度試驗(yàn)。Saad－Eldeen等通過(guò)將3個(gè)箱型梁模型放入海水中，研究非線性腐蝕對(duì)箱型梁極限強(qiáng)度的影響。隨后Saad－Eldeen等根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)、初始缺陷的幅值以及形狀、板的細(xì)長(zhǎng)比和結(jié)構(gòu)失效之間的關(guān)系的研究。Gordo等通過(guò)四點(diǎn)彎曲加載方式完成4個(gè)不同板厚與跨距的箱型梁極限強(qiáng)度試驗(yàn)。

極限強(qiáng)度一般用標(biāo)稱應(yīng)力來(lái)表示。根據(jù)應(yīng)力種類的不同，可分為拉伸強(qiáng)度(σt)、壓縮強(qiáng)度(σc)、剪切強(qiáng)度(σs)等。體育鍛煉方面極限強(qiáng)度是指持續(xù)最大速度或最大力量（肌肉快速緊張地工作）做10~30秒的練習(xí)，心率在190次/分以上。

國(guó)內(nèi)外新的抗震規(guī)范應(yīng)用新的方法，努力實(shí)現(xiàn)基于性能的設(shè)計(jì)用于建筑物的安全設(shè)計(jì)方法的兩個(gè)明確發(fā)展目標(biāo)：1）全和減震效果明顯；2）的損害控制在地震兩個(gè)對(duì)應(yīng)級(jí)別地震地動(dòng)力。

地基土體與結(jié)構(gòu)相互作用應(yīng)考慮地震加速反應(yīng)譜作用于工程土體方面的設(shè)計(jì)，新引入的極限強(qiáng)度法(LSM)可驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全性能。LSM 法是基于結(jié)構(gòu)的線性等效，通過(guò)評(píng)估自由系統(tǒng)單向的安全響應(yīng)。使用自由系統(tǒng)可以更好地了解整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)地震反應(yīng)譜的響應(yīng)并能夠得到適當(dāng)?shù)尿?yàn)證結(jié)果。此外，LSM并不需要專家的判斷;它使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者明確建筑建造的性能。建筑抗震計(jì)算，應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性地基耦合的基礎(chǔ)上，應(yīng)也考慮到兩者的共同振動(dòng)。這種動(dòng)態(tài)特性分析是通過(guò)系統(tǒng)耦合的結(jié)構(gòu)固有周期和阻尼因子，動(dòng)態(tài)交互的特點(diǎn)清晰地顯示出來(lái)：1）評(píng)估建筑物的固有周期，具有固定建模的地基結(jié)構(gòu)中，并在此耦合模型基礎(chǔ)上建模，它清楚地看出，當(dāng)?shù)鼗墓逃兄芷谧冮L(zhǎng)，建筑物樓層的增高時(shí)，結(jié)構(gòu)固有周期降低、剛性增高。2）本身阻尼，系統(tǒng)中加入阻尼，則有動(dòng)態(tài)阻尼產(chǎn)生。較大部分動(dòng)態(tài)阻尼為輻射阻尼。這種阻尼通過(guò)輻射振動(dòng)能量作用在地基土體。研究表明在等效周期的耦合系統(tǒng)中，地基土體本身的固有周期越小，輻射阻尼越明顯；耦合系統(tǒng)中，建筑的自然周期與地基的固有周期增大時(shí)，阻尼輻射變得非常小。3）物與地基土體的自然周期相近時(shí)，耦合系統(tǒng)的數(shù)值分析，在地震的情況下，共振出現(xiàn)地基和建筑物，結(jié)構(gòu)對(duì)地震響應(yīng)變大 。

由塑性材料制成的結(jié)構(gòu)，按彈性分析法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是不夠經(jīng)濟(jì)合理的，按極限荷載的方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)合理，且能反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往還要借助一個(gè)安全系數(shù)，因?yàn)榘踩禂?shù)是從整體結(jié)構(gòu)所能承受的荷載來(lái)考慮的，故能較正確的反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)的綜合因素。自世紀(jì)中葉開(kāi)始，人們便在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用容許應(yīng)力法計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，這種方法是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件當(dāng)作理想彈性體來(lái)分析，故又稱彈性分析法或容許應(yīng)力法。這種方法認(rèn)為，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力達(dá)到材料的極限應(yīng)力時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)破壞。由拉伸實(shí)驗(yàn)可知，低碳鋼金屬材料在達(dá)到一定的應(yīng)力水平后，會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形。其特征是塑性變形是不可逆的永久變形。產(chǎn)生塑性變形后卸除荷載，往往會(huì)導(dǎo)致受力構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力產(chǎn)生；應(yīng)力超過(guò)彈性范圍后，應(yīng)力一應(yīng)變曲線為非線性關(guān)系；塑性變形與加載的歷程有關(guān)。不同的加載歷程所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值不同；金屬材料的塑性變形量遠(yuǎn)大于彈性變形量。在彈性分析中，完整地求解一個(gè)材料力學(xué)問(wèn)題，一般需考慮靜力平衡條件、變形幾何條件和力與變形的物理?xiàng)l件。在考慮材料塑性分析問(wèn)題中，同樣需考慮靜力、幾何和物理?xiàng)l件三個(gè)方面，只是由于塑性變形與加載歷程有關(guān)，且應(yīng)力一應(yīng)變之間為非線性關(guān)系，使求解變得復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常做如下假設(shè)：荷載為單調(diào)增加的靜荷載；構(gòu)件雖已局部產(chǎn)生塑性變形，其變形的幾何相容關(guān)系仍保持為線性；構(gòu)件在達(dá)到極限狀態(tài)前，始終保持為幾何不變體系。材料具有屈服階段，在塑性變形較小時(shí)，材料為理想塑性模型；在工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度分析中，認(rèn)為應(yīng)用彈性分析法進(jìn)行計(jì)算，不能充分發(fā)揮材料的承載能力。如在偏心受剪螺栓群中，構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力僅發(fā)生在據(jù)中心最遠(yuǎn)的螺栓上。當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，危險(xiǎn)螺栓截面內(nèi)部材料仍繼續(xù)處于彈性范圍，構(gòu)件仍繼續(xù)承載或增加荷載，直到螺栓完全塑性化，而不至于發(fā)生大的塑性變形。因此，考慮材料的塑性變形特點(diǎn)，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)材料，充分發(fā)揮材料的作用是必要的。同理，由塑性材料制成的結(jié)構(gòu)，尤其是超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)某一局部應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，結(jié)構(gòu)并不破壞，還能承受更大的荷載而進(jìn)入塑性階段繼續(xù)工作?？梢?jiàn)，按彈性分析法，以個(gè)別構(gòu)件的局部應(yīng)力來(lái)衡量整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力是不夠經(jīng)濟(jì)合理的 。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，材料極限強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值。用同一規(guī)格材料制成的試件,其實(shí)際極限強(qiáng)度常有參差。一般通過(guò)大量試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析定出一數(shù)值,作為此類材料極限強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。