复合材料船体的可靠性分析外文翻译资料

 2022-07-28 14:14:27

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复合材料船体的可靠性分析

陈念众, 孙海虹, C.格德斯 · 苏亚雷斯

海洋技术单位和工程、 技术的里斯本大学，研究所高级宾大道 Rovisco Pais，

1049-001 里斯本，葡萄牙

摘要

有人提出了简单和有效的分析方法，这个方法可以进行复合材料船体总纵极限强度计算与可靠性分析. 从复合材料梁柱理论推导出复合加筋板的极限强度计算公式. 甲板和船的底部结构被看作为加筋板的组合. 然后，连续倒塌分析被用于计算复合材料船体纵向极限强度。响应面法和一阶可靠性方法结合起来计算安全指标及失效概率. 此外，讨论了影响可靠性的每个变量的灵敏度。.

关键词︰ 复合材料 加筋的板 极限强度 连续倒塌分析 可靠性分析 响应面法 灵敏度分析

(一)引言

在船舶设计中低重量通常是可取的，但在设计中降低的维护和耐腐蚀性能，这可能是导致船体复合材料的选择的主要因素。 不同类型的复合材料被使用 [1，2] 自从那些在美洲杯的比赛中游艇使用的高性能复合材料玻璃纤维增强玻璃纤维渔船 [3] 在海军舰艇包括应用程序中使用的不那么复杂应用程序[4]. 如今，越来越多的复合材料被应用到高速双体船和单体船。甲板和船的底部结构是一系列的加筋板的组合。因此，知道加筋板的故障能力对于评估船体极限强度是非常重要的。史密斯和道琼斯 [5，6] 研究了抗压强度的帽子加筋玻璃钢板的抗压强度，既包括理论也有实验研究。对于FRP 筋板的设计他们建议考虑程序和安全因素。

斯蒂文斯等人 [7] 在压缩载荷作用下 提出了理论和实验结果的后屈曲行为平版，加筋，碳纤维复合板。非线性有限元方法用于预测板的屈曲及后屈曲响应。 失效机理，涉及加劲肋脱粘，导致最终的崩溃的小组识别和预测的有限元法。这些结果可能对于理解相同的条件下纤维玻璃面板的响应是有用的。道琼斯指数 [8] 发表了调查塌性能的纤维增强复合材料在海洋工程结构的大型和小型实验的结果。作者发表了进行加筋板，各种结构连接和甲板边缘连接强度测试的结果。结构失效是由于船舶船体梁极限弯矩失效最具灾难性的失效。为了确保船舶船体的安全设计，准确评价船体在极端荷载作用下保持可靠性的能力势在必行。考德威尔 [9] 的第一个试图从理论上评价的纵向弯矩船船体极限强度的人。他在考虑收益构成船体和弯矩作用下的所有结构构件的影响介绍了塑料崩溃时刻。 在 Caldwells 方法中，没有考虑个别成员在强度折减后他们已经达到其极限强度这一情况进行计算船体极限强度。 这并不代表结构构件真正的崩溃行为，但它是一个保守的预测。为此，是非常重要去考虑每个模拟船舶船体的结构构件的强度折减 （切负荷） 的崩溃行为。一些简化的方法已发展到考虑了结构构件的强度折减后其极限强度，以及个别构件的崩溃。 史密斯 [10] 提出了一种方法，这种方法把截面分为加劲肋和附加电镀组成的元素，和的平均单个元素的平均应力 — — 应变关系被推导出来在执行民进之前崩溃分析，这个分析占所有元素的贡献。虽然史密斯一家基于有限元结果的加筋的板的每个元素，还有戈多等人。 [11] 参照这种行为与简单的解析公式，比较与实验工作表明方法 的足够[12]。

对钢结构进行了研究工作，对船体梁的极限强度，已在这里汇报。类似的工作尚未执行的复合材料结构的这将在本文中进行。

可靠性分析与设计传统上考虑承载能力极态 (ULS) 来分析一个失败事件。对于 ULS 电阻或能力以表示结构抗力最大值的结构强度表示。失败会在发生在负荷或需求超出预测的强度时。占主导地位的强度失效模式通常是某种形式的崩溃或韧性过载。结构可靠性分析中的强度预测的适当列入需要考虑所有可能的力量的不确定性。

对于在复合材料中的组件，萨瑟兰和格德斯苏亚雷斯 [13] 审查了先进复合材料的概率模型。Ibnabdeljalil 和廷 [14] 考虑复合材料的强度和其大小依赖与本地负载共享 (LLS) ，当其使用一种基于三维晶格格林函数技术的蒙特卡罗模拟模型。解析公式推导和证明，从小结构映射到大的结构，其强度由其最弱的部分决定， 科克沙罗夫 [15] 用概率描绘水平的损伤发展单向复合材料的断裂强度的临界变形能量特征的体积。这种方法允许可用于复合结构后备力量在静强度和疲劳可靠性预测。

林等人 [16] 使用随机有限元分析与二阶摄动技术来派生的层合板面内载荷基于第一层故障使用 TsaiWu 标准和屈曲强度。材料性质、 纤维角和层合板厚度作为随机变量处理。SFEA 和蒙特卡罗模拟用于开发使用三种不同强度分布 （正常，对数正态分布和威布尔） 的失效概率。结果表明，层合板厚度的随机性对角铺设层合板的失效概率影响最大。

尤沙诺夫和博格达 [17] 给除了复合结构在可靠性方面的预测方法。作者使用的罕见通道的状态向量 （应力、 应变或位移） 随机过程超出随机限制表面分析，提出了一种可靠度分析预测层合板面内载荷作用下的方法论和示例应用程序。层合板的可靠性被仿照作为叶片可靠性系列系统。

郑某和资讯中心 [18] 提出了一种使用模拟的方法，格德斯苏亚雷斯已经提出不同的实用可靠性方法去评估复合材料结构可靠性 [19]。本文提出了一种简单而有效的分析方法，为复合材料复合船体总纵极限强度计算和可靠性分析。基于组合柱理论，推导了复合加筋板极限强度计算公式。然后，应用连续倒塌分析计算复合材料船体纵向极限强度，响应面法与一阶可靠性方法计算安全指标及失效概率，结合并讨论了影响可靠性的每个变量的灵敏度。

（二）复合材料船体极限承载能力

2.1.理论分析

复合材料加筋的板理想作为梁-柱在哪里 w0 是加筋板的初始挠度、 w 是在任何点板挠度、 P 是轴向压缩载荷，l 是加筋板的长度、 x 是加筋的板长度方向的坐标，y 是在垂直于 x 方向坐标和 e1 是偏心负载，如图 1 所示。

加筋板的初始挠度被假定为:

图1. 复合加筋的板下轴向压缩加载。

w0 max为初始几何缺陷的幅值加筋的板。通过给出了板挠度。板挠度通过给出，其中，w1是加筋板的弯曲变形。通过梁-柱理论得到复合材料的弯曲微分方程：

(1)

其中Dv 是抗弯刚度︰

(2)

Ersquo;i 为加筋板中单元i 的杨氏模量; Arsquo;i 为加筋板中单元i的横剖面面积; Arsquo; 为加

筋板横剖面面积; yi 为加筋板中单元i的横剖面形心到加筋板横剖面中性轴的距离; Irsquo;i 为加筋板中单元i的自身惯性矩; Xc 为材料的压缩强度;

边界条件：X=0, W1=0 (3)

代入（1） 和 (3) 到 (2)，得到

(5)

因此，通过给出最大应力 rmax

其中 y 是加筋板与中性轴的垂直距离，A0是加筋板的截面积

采用近似︰

(6)

代入式 (5) 得

(7)

许多复合材料包括玻璃钢像

脆性材料，显示没有屈服点。因此，

达到极限强度时的最大弹性

达到了应力︰

(8)

或：

(9)

rULT复合材料加筋板的极限强度，然后：

(10a)

(10b)

(10c)

其中为：

(10d)

2.2. 加筋复合材料层合板的破坏模式

1.全面崩溃后整体屈曲的电镀

并作为一个单元的加劲肋。

2.板引发的故障，由角的崩溃

加强筋间的电镀。

3.板引发的故障，通过板 — — 加劲肋的崩溃

在跨中的组合。

4.加强筋引发的故障，通过局部屈曲的加劲肋

web。

5.加强筋引发的故障，通过侧 — — 扭转屈曲

加劲肋。

模型 1 通常表示当加劲肋时相对较弱时的崩溃模式。板表现为 #39;正交各向异性板 #39;。然而，设计中的加劲肋比板板强度更大，所以这种模式通常要避免。

模型 2 可以发生在面板主要被受到向双轴压缩载荷作用时。

模型 3 指失败模式中，这种模式下极限由列或梁-柱类型折叠的板 — — 加劲肋结合通过有效的 （减少） 电镀达到极限强度。

模型4表示一个失败模式,其中加筋腹板局部屈曲失稳当达到极限强度时。

模型5可以发生。通过横向-扭转屈曲(或侧倾)加强。组合船中的加强筋,通常为“帽子”部分,特别有效地减少了外壳或甲板的支撑跨距消除横向扭转不稳定性的可能性在侧向或压缩载荷下。所以模型5不是通常发生在复合船结构中。

一般情况下，应设计十字加劲肋板例如，帧间崩溃发生前毛面板倒塌，因为后者涉及到更大的部分结构和可能是更具灾难性。

因此,加筋板的破坏模式。在纵向压缩下的复合材料是两种复合材料。各种类型: ( 1)板因板崩溃导致的失效—中跨加劲组合;( 2)加强诱导出腹板局部屈曲失效。在这种模式下,板已经在故障前屈曲了,所以它的抵抗将会减少。还原系数u [ 21]乘以面板b可以用类似的方式来模拟这种效果。与金属板[ 22]一样。极限强度复合加筋板是其极限承载力的一种。在两个故障中,应力rult比另一个小。

2.3. 示例

考虑复合加筋的板，具有初挠度的 w0 frac14; 0:00013a，在那里是复合材料加筋板的长度。复合加筋板的几何和材料属性所示表 1 和表 2，和纵向受压复合加筋板的几何如图 2 所示。

加筋板的计算极限强度是 29.428 m p a，而加筋板极限强度的实验结果是 28.4 MPa[1]。由此可见，本文考虑的方法是很准确的将自相对计算复合材料加筋板的极限强度。

表1

名称

a

b

b2

b3

b4

bF

t1, t2

t3

t4

d

尺寸 （毫米）

3060

640

108

92

123

54

12.7

8.6

4

132

表2

翼

网

板

杨氏模量 E (MPa)

19.5

15.0

15.0

拉伸强度 Xt (MPa)

241

238

238

抗压强度 (MPa) Xc

210

204

204

计算的结果和实验结果误差是3.62%，小于 5%。

（三）复合材料船体总纵极限强度

船体梁总纵极限强度是船体梁的抗弯刚度为零时的值。这种情况发生在足面板中特定部分的船体梁 （临界段） 失稳时。在整个过程中的各种面板的不同部分在不同的失稳阶段，根据欧拉 — — 纳维梁弯曲理论，因为崩溃约束发生之间的帧，关键部分的横截面仍然是平面和正常应变 e 由于船体梁弯曲而异线性段。

有：

其中 Z 是从瞬时弹性中性的距离

轴的截面。根据弹性

塑性弯曲理论的平衡条件

船体梁的截面是

其中 Ai、 ri 和子分别代表第 i 个元素的横截面，其平均应变的截面和其质心的横截面的纵坐标，M 表示的船体梁横截面上的弯矩。

瞬时弹性中性 y 坐标

轴的复合船体梁的截面Z 可以来自式 (4):

. 几何和复合加筋板纵向受压.

从 ri 和 ei，可以确定 Z 从式 (14)，然后 M 从式 (13) 后每加筋的板结构崩溃。假设每个加筋的板结构已经崩溃后它已没有剩余的强度，然后它还显示了其整个负载到其他加筋板上。一步一步走，最终达成。

（四） 可靠性分析

纵向极限的极限状态函数复合材料船体强度包括模型中的误差预测船舶总纵极限的强度船体梁铜、 杨氏模量的物质 E，每个加筋的板 w0，贴现的初始挠度板 u，抗压强度的因素材

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