極限強度簡介

極限強度一般用標(biāo)稱應(yīng)力來表示。根據(jù)應(yīng)力種類的不同，可分為拉伸強度(σt)、壓縮強度(σc)、剪切強度(σs)等。體育鍛煉方面極限強度是指持續(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。

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

極限強度完整和破損船體極限強度非線性有限元分析

以帶上層建筑的某A船極限強度設(shè)計為例，基于建立的船體極限強度非線性有限元分析的完整框架，對A船中拱極限強度進行分析。利用縱向和橫向?qū)ΨQ條件，選取船舯1/4艙段為分析對象，附加適當(dāng)長度的加載段，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算結(jié)果，三種方法的計算結(jié)果相當(dāng)吻合。

艦船在戰(zhàn)爭環(huán)境中面臨著來自空中、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艙段為分析對象，附加適當(dāng)長度的加載段，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稱性，剖面極限中和軸不再與基線平行，極限中和軸相對于彈性中和軸發(fā)生平移和轉(zhuǎn)動；受拉邊緣屈服，受壓邊緣屈曲，而極限中和軸附近保持彈性。

極限強度船體極限強度分析的改進解析方法

在船體極限強度研究的理論方法中，直接方法和簡化方法是面向設(shè)計的方法。對于破損船體結(jié)構(gòu)非對稱的情況，彎矩與曲率方向在非彈性階段不再存在固定的關(guān)系，簡化方法需由插值計算得到破損船體極限強度。直接方法中的線彈性方法十分簡單，但計算精度可能不好，因為在壓縮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)驗公式對于常規(guī)船型可以得到合理的解，但人們在用經(jīng)驗公式計算新的或通用船型時必須小心，因為它們由有限的數(shù)據(jù)導(dǎo)出；而解析方法通過假設(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算得到船體極限強度，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)了完整船體極限強度的解析公式，比較研結(jié)果表明，雖然解析方法沒有顯式地包含結(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。

大量的模型試驗和有限元分析結(jié)果驗證了Paik極限強度模型中關(guān)于在船體梁達到極限狀態(tài)時中和軸附近材料保持彈性狀態(tài)的假設(shè)，但同時也質(zhì)疑Paik極限強度模型中關(guān)于彈性區(qū)域偏向受拉一側(cè)的假設(shè)?；诖w極限強度模型試驗和實船有限元分析，結(jié)合板和加筋板格極限強度分析的彈塑性法，提出面向設(shè)計的船體極限強度分析的改進解析方法。該改進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法計算其屈曲極限強度；

2、極限狀態(tài)時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。

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

極限強度板和加筋板極限強度分析

研究船體結(jié)構(gòu)的極限強度，首先要從板和加筋板的極限強度計算分析開始，船體板及加筋板的極限強度研究方法主要包括經(jīng)驗公式和解析法、有限元法和試驗法。

在ISSC2000技術(shù)委員會建議對聯(lián)合載荷作用下加筋板的極限強度進行研究后，一些學(xué)者對具有凹痕、開孔板的極限強度和鋁制加筋板極限強度等進行研究。張少雄等基于有限元計算結(jié)果，給出單軸壓力作用下的簡支板中的凹痕形狀、尺寸及位置對板極限強度的影響，并用曲線擬合方法得到了預(yù)報凹痕板極限強度經(jīng)驗公式。Paik基于有限元分析結(jié)果提出在邊界剪切載荷作用下開孔板的極限強度預(yù)報經(jīng)驗公式，并給出雙向軸壓、邊界剪切載荷作用下開孔板極限強度的關(guān)系。Masaoka等提出一個計及初始缺陷影響的在壓縮載荷作用下加筋板簡化設(shè)計方程。Rizzo等基于大量有限元計算結(jié)果，提出一種預(yù)報純剪切載荷作用下加筋板極限強度預(yù)報的簡化方法，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)用到加筋板極限強度預(yù)報中。有大量關(guān)于平板以及加筋板極限強度的有限元法研究。但是隨著快速船舶的發(fā)展，鋁制加筋板對于輕型運輸系統(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)對結(jié)果極限強度有較大影響。因此，研究鋁制加筋板的極限強度也就顯得非常重要。

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

極限強度船體結(jié)構(gòu)極限強度模型試驗

船體結(jié)構(gòu)極限強度模型試驗是研究船體縱向極限強度的主要方法之一，模型試驗可以代表船體總縱極限強度，采用縮尺模型，可以減少試驗難度，降低試驗成本；通過試驗，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的崩潰過程。由于實船試驗耗費巨大，并且很難進行實船極限強度試驗，因此，實船試驗進行得很少，更多的是進行加筋箱型梁模型試驗，雖然試驗對象不再是船舶的縮尺模型，但為船體結(jié)構(gòu)極限強度理論預(yù)報方法的驗證提供了許多有參考價值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

Paik等通過試驗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度。Gordo等采用名義屈服應(yīng)力為690MPa的高強度鋼制作3個不同細長比的箱型梁模型，通過四點彎曲的加載方式，完成箱型梁極限強度試驗。Saad－Eldeen等通過將3個箱型梁模型放入海水中，研究非線性腐蝕對箱型梁極限強度的影響。隨后Saad－Eldeen等根據(jù)試驗的結(jié)果進行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)、初始缺陷的幅值以及形狀、板的細長比和結(jié)構(gòu)失效之間的關(guān)系的研究。Gordo等通過四點彎曲加載方式完成4個不同板厚與跨距的箱型梁極限強度試驗。

國內(nèi)外新的抗震規(guī)范應(yīng)用新的方法，努力實現(xiàn)基于性能的設(shè)計用于建筑物的安全設(shè)計方法的兩個明確發(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對應(yīng)級別地震地動力。

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，新引入的極限強度法(LSM)可驗證結(jié)構(gòu)安全性能。LSM 法是基于結(jié)構(gòu)的線性等效，通過評估自由系統(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結(jié)構(gòu)對地震反應(yīng)譜的響應(yīng)并能夠得到適當(dāng)?shù)尿炞C結(jié)果。此外，LSM并不需要專家的判斷;它使結(jié)構(gòu)設(shè)計者明確建筑建造的性能。建筑抗震計算，應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(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。這種動態(tài)特性分析是通過系統(tǒng)耦合的結(jié)構(gòu)固有周期和阻尼因子，動態(tài)交互的特點清晰地顯示出來：1）評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，建筑物樓層的增高時，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，則有動態(tài)阻尼產(chǎn)生。較大部分動態(tài)阻尼為輻射阻尼。這種阻尼通過輻射振動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，阻尼輻射變得非常小。3）物與地基土體的自然周期相近時，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)計結(jié)構(gòu)是不夠經(jīng)濟合理的，按極限荷載的方法設(shè)計結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟合理，且能反映整個結(jié)構(gòu)的強度儲備。在實際應(yīng)用中，人們往往還要借助一個安全系數(shù)，因為安全系數(shù)是從整體結(jié)構(gòu)所能承受的荷載來考慮的，故能較正確的反映結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時的綜合因素。自世紀中葉開始，人們便在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用容許應(yīng)力法計算結(jié)構(gòu)的強度，這種方法是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件當(dāng)作理想彈性體來分析，故又稱彈性分析法或容許應(yīng)力法。這種方法認為，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力達到材料的極限應(yīng)力時結(jié)構(gòu)會破壞。由拉伸實驗可知，低碳鋼金屬材料在達到一定的應(yīng)力水平后，會產(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，往往會導(dǎo)致受力構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力產(chǎn)生；應(yīng)力超過彈性范圍后，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應(yīng)的應(yīng)變值不同；金屬材料的塑性變形量遠大于彈性變形量。在彈性分析中，完整地求解一個材料力學(xué)問題，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條件。在考慮材料塑性分析問題中，同樣需考慮靜力、幾何和物理條件三個方面，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。為了簡化計算，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，材料為理想塑性模型；在工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度分析中，認為應(yīng)用彈性分析法進行計算，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)中心最遠的螺栓上。當(dāng)最大應(yīng)力達到屈服極限時，危險螺栓截面內(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，對于進一步認識材料，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)力達到屈服極限時，結(jié)構(gòu)并不破壞，還能承受更大的荷載而進入塑性階段繼續(xù)工作?？梢?，按彈性分析法，以個別構(gòu)件的局部應(yīng)力來衡量整個結(jié)構(gòu)的承載能力是不夠經(jīng)濟合理的 。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)強度，材料極限強度的標(biāo)準(zhǔn)值。用同一規(guī)格材料制成的試件,其實際極限強度常有參差。一般通過大量試驗和統(tǒng)計分析定出一數(shù)值,作為此類材料極限強度的標(biāo)準(zhǔn)。