基于维度理论和试验结果的船体梁极限强度评估外文翻译资料

 2022-09-07 15:07:46

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基于维度理论和试验结果的船体梁极限强度评估

Y. Garbatov, S. Saad-Eldeen , C. Guedes Soares

葡萄牙，里斯本，Av. Rovisco Pais大道，里斯本大学，高等技术学院，海洋技术和海洋工程中心（CENTEC）

摘要：这项工作的目的是在三维理论的基础上根据实验结果和维度理论，进行一个船体梁极限强度验证。三箱梁的极限强度试验的结果可能代表船的中间部分在一个真正的腐蚀性海水环境，一个不同程度的老化船体结构的腐蚀性海水环境中的表现，是用来评估船体的极限强度的。该分析是基于在实验测试中使用维护的模型和实际结构之间的一阶相似进行的。目前的分析，可以用来验证在在使用寿命内新的结构设计的船舶船体结构的整体极限强度或用来校准新开发的船体结构中的整体极限强度。

1. 引言

人们对船体结构极限强度分析的研究工作进行了大量的研究工作。考德威尔是在这方面工作的先驱，之后极限强度的评估方法在包括受压构件的屈曲稳性理论的影响下发展进步。该方法是基于骨架为纵向的假设。假定一个梁段的破坏发生在相邻骨架之间，这种破坏或是由于梁柱的受压，或是由于骨架间板的拉力产生。这个理论是基于两个假设，即：整体板架失稳压力高于骨架间梁柱的极限承载压力，需要足够的横向框架刚度支撑纵向加筋板；加强筋的屈曲应力也应高于骨架间的屈服应力。两者都可以在设计过程中，在满足合适的设计约束的横向框架和纵向结构的相对大小的情况下实现。

在过去的几十年中，人们对极限强度进行评估的各种简化方法都得到了发展。通过考虑系统误差与屈服强度，极限抗压强度和断面的影响，福克斯和沙登提出了计算极限弯矩的计算公式。维纳在假设纵向受压法兰达到船体的弹性屈服极限的条件下提出了一个计算极限弯矩的表达式。弗里兹和林将标准的船体极限弯矩的能力表示为标准化的法兰抗压极限强度。另一种新的预测纵向弯矩作用下的单双壳船的极限强度的表达是由白和曼苏尔提出的，为了计算的极限抗压强度，白和塔亚蒙巴利得出一个将计算加筋板的极限抗压强度经验公式表示为基于现有的加筋板破坏试验结果得到的板和柱的细长度的方法，实验中各种控制因素都用公式完整的表达了，唯一没有改变的是结构板和柱的长细比。

最近，有人提出了一个新的极限强度的评估方法。

萨阿德· 埃尔迪恩等人通过验证一些简化方法的适用性来对在这个分析中使用的最初腐蚀箱梁的极限强度进行评估，并指出考德威尔的修改方法给出了几乎与实验结果相同的结果。维纳方程以及白和塔亚蒙巴利的经验公式均与实验结果吻合。另一方面，对于中度腐蚀箱梁，唯一显示对极限强度预测较准确的理论是由福克纳提出的。

最初在对船舶结构的横向框架进行连续倒塌分析中提出的理想结构单元法（ISUM）可能是一种替代逐步破坏实验的方法。另外，人们已经研究出来多种新的原理来替代船体梁在纵向弯曲作用下的逐步破坏实验。在评估船的双层底强度时，ISUM能够提高计算准确度。现有的ISUM板单元已经发展到结合单向，双向压力和横向荷载考虑。

有限元法（FEM）已被应用于预测未加筋板和加筋板的极限强度，几何非线性和材料非线性在这种方法中都被考虑到。可以说使用有限元法对板和加筋板进行极限强度预测是非常简单的。有限元法还可以是一个对船体梁进行逐步破坏分析的有效方法，然而，由于船体梁太大，采用普通的有限元法，对船体梁进行逐步破坏分析，需对其进行简化。

在过去的三年中积累了大量的单元板，加筋板和面板的实验经验，因此如今已经有许多在实验或数值结果的基础上对单元板，加筋板和面板的极限强度评估的经验公式被提出了。

实验结果为我们了解结构的破坏性状提供了第一手资料，因此，进行大量通过一个箱梁试样极限强度试验来模拟船体的特性。箱梁试样已重现在纯弯矩作用下的船体中横剖面。典型的箱梁包括单元板、加强筋和支撑骨架。

在过去的几十年里，人们已经对各种箱梁进行了测试。最近一个多跨加筋箱梁较船中剖面的极限强度试验进行了报道，使用在这里的是腐蚀箱梁系列三个试验其中之一。这个试验中箱梁受到的是一个四点隐格式弯矩的作用。分析箱梁受到中等腐蚀条件下的恶化程度及其衍生测试就是前一项研究的延续报道，同样条件下，还进行了严重腐蚀箱梁测试。

基于实验结果的腐蚀的钢箱梁的极限强度的腐蚀的相关性分析已经完成，并基于此提出了分析腐蚀结构的极限强度和极限弯矩的两个腐蚀相关性公式，其中弯矩与曲率的腐蚀相关性已发展到用来测试箱梁的几何特性和材料特性的变化。

实验结果呈现在分析腐蚀破坏对承受拉伸载荷试样的影响中，这个腐蚀试验样品不是箱梁而是在实际海水条件下的初腐蚀试样。实验结果得知，对于腐蚀程度超过20%的钢试样，强度降低很显著，其中屈服应力和抗拉强度的降低有差别。屈服强度的降低是非线性的，但在拉伸强度的情况下是线性的。基于回归方程，建立了腐蚀钢板的等效应力-应变曲线，并通过回归方程确定了实验得到的真实应力-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。

腐蚀恶化对极限强度、耗散能、合规性、延性和锈蚀的钢箱梁弹性极限的影响，正被讨论检验。同时可以观察到在腐蚀条件下刚度、应力-应变关系和弹性模量的显著减少。

分析相同的材料制成的腐蚀箱梁试件后，结果证明，加筋板的严重腐蚀降解可能减少疲劳强65到100兆帕，这是由于锈蚀钢筋的力学性能变化裂纹从腐蚀坑开始扩展。

通过使用不同的弹塑性材料应力-应变模型进行了一系列的非线性破坏分析，对腐蚀箱梁的特性进行了数值模拟研究。考虑到腐蚀破坏对残余应力的影响和后屈曲特性和材料的力学性能的影响已经开发出不同的弹塑性材料模型。数值模拟和实验结果进行了比较，并观察到吻合很好。同时，对两个腐蚀严重的腐蚀破坏模型进行了一系列的非线性有限元分析，其中一个模型平均腐蚀厚度减小，另一个与腐蚀板的实际厚度分布相同。新的应力-应变关系已经能够解释腐蚀对抗弯刚度的影响。

这项工作的目的是根据基于三维理论的基础上的实验结果确立的船级社规则检查船体梁的极限弯矩。通过模拟在腐蚀性海水环境中船体中段得到的三箱梁的极限强度试验的结果，用来模拟不同程度的腐蚀破坏的老化船体结构使用。该分析是基于一阶相似性的使用以及考虑非线性结构响应的结构模型进行的。

2 . 结构模型

结构模型可以被定义为一个结构或结构的一部分的物理表示形式。模型给出的定义是，结构模型是任一结构元件或减少要测试的结构元素规模的装配，而相似律必须用来解释测试结果。

任何结构模型必须包括设计，加载和根据一系列将结构模型与真正结构联系起来的相似的要求的解释。这些相似性的要求是基于建模的理论，这个理论是源自于对结构特性中物理特性的因次分析。

使用的维度数据是指定和测量定性和定量的物理量，定性特征使某些自然的基本量的阐述成为可能，这些基本量通常被称为尺寸。

维度分析对任何结构特性的研究有实质性的好处，因为它允许将变量组合到简单的减少未知量的pi;项组。

问题在于对通过创建所谓的四点弯曲模型估计受两个已知力P的简支梁的一段的最大应力分析（见图1）。

假定应力sigma;是一个载荷P和跨距L的函数或F(P,l，sigma;)=0。这种方程可以用幂在形式上表达：

sigma;= （1）

其中K是一个无量纲参数。在维度方面，方程（1）采取以下形式

(2)

或者

(3)

其中F和L分别是力与长度尺寸。

量纲齐次原则要求方程的每一边各维尺寸相同或每一个方程两侧的基本量的指数必须是相等，上式中alpha;=1，gamma;=-2，因此：

sigma; =K(PL) （4）

其中，k可由实验确定。注意，单独的三维分析表明，sigma;是（PL）的一个函数。

通过数学方法可以得到：

（5）

其中和是取决于梁的几何特性的常数，它们可以概括为。这个问题的量纲分析不能确定的常数量级。

白金汉指出任何涉及一定的物理量的任意量级齐次方程，都可以化简为一个无量纲参数乘积的等价方程。真正的模型是保持完全相似的模型。任何一种能满足所有要求的模型，从一个适当的维度分析，都是完全相似的。

在所有的结构模型，完全的相似性是可取的，但通常的经济和技术条件使建造与实际结构完全相似结构模型不可能。忽略了一定的二阶效应，有可能建造一个足够相似的模型进行研究，以获得对真实的结构特性的准确预测。

如果实验方法是用来进行分析和设计，可能有必要降低对函数Phi;的比例恒为一的限制。一级相似性指的是约等于1。

然而，任何偏差都可以被允许，只要它是能够确定这种偏差的影响。完全相似的定义是恒为1。完全相似的某些二阶偏差是被允许的，该比例可能仅为约等于1；如果完全相似中一阶偏差被允许，在一般情况下，所得到的将是未知的。

  1. 抗弯矩能力评价

在设计和分析的结构中使用的最有用的建模技术是那些可以预测非弹性和弹性特性，并有结构失效时有信心研究的能力。这些技术限制了模型，材料和制造方法的选择。现在正在考虑的是静荷载作用于结构的第一个案例。

3.1 样本描述

极限强度试验的实验结果分析了3个长度，宽度和深度为1400毫米，800毫米和600毫米的箱梁试样，见图2（左）。在极限强度试验之前，箱梁无腐蚀保护的（无涂层）被暴露于海水中。被试箱梁被放置在一个大罐中，同时海水被不断泵入大罐中。海水温度升高和搅拌海水使含氧量增高，导致腐蚀速率增加。图2（右）显示的是没有加热的无阳极化海水腐蚀试验后的箱梁，在其中提出了对腐蚀试验设置的更多详情。

任何箱梁由3个托架组成。使用多跨，而不是单跨是因为这样可以更真实的表现船体，并避免了中心板的边界条件的影响，这些影响是因为加载可能偏心以及相邻的面板之间的干扰造成的。

甲板上有五个纵向的扁平条，间距为150毫米。侧面板分别在两侧距底板300和500毫米的地方设加强筋加强，同时在底部面板中间设加强筋进行加强。

分析箱梁的几何布局如图2所示（左）。建成的模型中加强筋和板厚度均为4.5毫米。

在进行三次腐蚀箱梁的极限强度试验之前，对其进行了腐蚀厚度的测量，以便得出箱梁结构单元的剩余厚度。腐蚀试验数据包括636个测量的腐蚀厚度，212个从每个箱梁中得到的尺寸。测量得到的初始和严重的腐蚀箱梁样品的甲板面板的厚度分布，如图3所示。初步，中度和严重腐蚀箱梁甲板板的测量腐蚀深度（2.31，0.41和2.62毫米）的平均值为真正的油轮船舶压载舱的甲板板腐蚀度，将其与所开发的回归方程定义的95%可靠度上限的腐蚀深度比较。结果发现，在戈德斯和埃本多夫模型中，考虑到涂层的寿命是0年，最初腐蚀箱梁与0.2年恶化结果相匹配，而中度和严重腐蚀箱分别与17.9和23.3年的恶化相匹配。如图3所示，腐蚀厚度的不均匀分布影响了箱梁的响应。

箱梁两端刚性固定。箱梁受四点垂直弯矩。底部部分受拉力和甲板等上部部分承受压力。弯矩沿固定螺栓之间的箱梁梁保持恒定。有四个点用于传递载荷，2个位于臂的支座和2个在箱梁和支撑臂之间的边界。为了避免剪切效应，载荷施加在离箱梁的两端一个特定的距离的地方（箱梁和支臂之间的连接点）。负载由700千牛液压机提供，它是如图4所示通过横梁传递到箱梁。

为了分析模型和实际结构在弹性范围内特性的相似性，需应用平衡方程、应变位移和胡克定律。当位移非常小，在模型和实际结构的任何点全相似必须满足与遵守：

---线性尺寸

（6）

---应力

（7）

---张力

（8）

---位移

（9）

其中l,,和u是实际结构的线性尺寸、应力、应变和位移,而，，和是模型中的线性尺寸、应力、应变和位移。

此外，基于应力-应变方程，下面的尺寸关系必须在弹性范围内：

（10）

从胡克定律可得：

（11）

以上的等式关系对于实际结构和模型都是有效的。

方程（6）需要尺寸全相似。上述方程是在平面应力条件下成立的，其中，，以及方程6中的z必须单独定义： （12）

其中t代表厚度。

如果位移不是很小，然后根据应变位移关系，非线性项必须保持不变。方程10中的相似关系必须被替换为：

（13）

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