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Graduation Design of Wuhan University of Technology
宽幅加筋板极限强度与实验比较
摘 要
用非线性有限元分析和通用结构规范，研究了具有4种加筋型式的5个加筋板在轴向压缩直至崩溃性能，并与实验结果进行了比较。加筋板模型有两个纵向隔间，以在边缘末端产生合理的边界条件。进行了拉伸试验以获得用于有限元分析的钢的材料性能。采用三种边界条件配置来研究它们对加筋板塌陷行为的影响。位移传感器用于测量加筋板的初始几何缺陷。加筋板的倒塌行为在有限元分析中通过测量的初始缺陷和名义缺陷进行分析。等效的初始缺陷可以验证加筋板在压缩载荷下的最终强度，直到考虑中的板崩溃为止。在相同的缺陷振幅下，加筋肋的圆柱型初始挠曲形状会显着影响塌陷形状，但对最终强度和加筋板的塌陷模式影响很小。具有约束边界条件BC3的1/2times;1times;1/2海湾模型可提供足够的有限元建模，并有可能在实验中制造。
关键词：极限强度，加筋板实验，单轴压缩屈曲
Abstract
Five stiffeners with four stiffeners in axial compression until collapse were studied by nonlinear finite element analysis and general structural rules, and compared with the experimental results. the stiffener model has two longitudinal compartments to produce reasonable boundary conditions at the end of the edge. tensile tests have been carried out to obtain the material properties of steel for finite element analysis. three boundary condition configurations were used to study their effects on the stiffener collapse behavior. the displacement sensor is used to measure the initial geometric defects of the stiffeners. the collapse behavior of stiffened plates is analyzed in finite element analysis by measured initial and nominal defects. equivalent initial defects the final strength of the stiffened plate under compressive load can be verified until the considered plate collapses. at the same defect amplitude, the cylindrical initial flexure shape of the stiffener can significantly affect the collapse shape, but it has little effect on the final strength and the collapse mode of the stiffener. the 1/2times;1times;1/2 bay model with constrained boundary condition bc3 can provide sufficient finite element modeling and is likely to be fabricated in experiments.
Key Words：Experiment of ultimate ；strength stiffener ；Uniaxial compression buckling
目 录
1. 介 绍
非线性有限元（FE）方法已用于分析非常复杂的结构强度问题，它可以详细预测加筋板和未加盘筋板的复杂崩溃行为。实验结果可以用作标定，但计算可以更清楚地了解崩溃行为的本质。田中和远藤[3]进行了一系列实验和数值有限元研究，以研究具有三个间隔的三个扁钢加筋肋的纵向加筋肋板的极限抗压强度特性，这些特性旨在因纵向加筋肋的局部屈曲或倾倒而失效。Gava Mimi和Herdemati[4] 进行了有限元研究，将结果与前面提到的两个实验程序进行了比较。他们研究了矩形（R），L和T形的加筋肋横截面的影响。此外，还研究了加筋肋的间距和刚性横向加筋肋对屈曲行为直至塌陷的影响。由船舶结构制造引起的初始缺陷是不可避免的，这些缺陷会受到与幅度和空间变化有关的重大不确定性的影响[5]通常已经发现，初始缺陷往往会降低板的刚度和极限强度。承受屈曲载荷的板的性能在很大程度上取决于其初始挠度的形状[6]这些初始缺陷会严重影响加筋板的极限强度，应予以考虑。能量法[7]用于量化初始挠度对塌陷强度的影响。Kmiecik等[8]分析了船体外壳板焊接后变形的多年测量结果，包括1998年的普通货船，多用途拖船，散货船，化学运输船，油轮，研究船以及客运渡轮的板。测量结果证实了这些缺陷的可变性，对印版强度有明显影响[9]，这通常需要采取一些概率方法来解决[10].
戈尔多和瓜迪斯·苏亚雷斯[11–13] 已经在单轴压缩载荷下测试了几块加筋板，直到崩溃为止，在某些情况下，由于实验中边界条件的影响，模型没有如预期那样崩溃。有限元模型和边界条件都影响加筋板的崩溃行为。为了理解问题并重新设计要测试的模型，已经进行了一些数值研究。计算中使用了许多（数百个）模型，它们具有不同的边界条件和模型，包括3个舱段，两个（1/2 1 1/2）舱段，进行了1 1个舱段和1 1个舱段的试验，以分析加筋肋的几何形状和面板边界条件对加筋板在Xu和Guedes Soares压缩下的极限强度的影响[14,15].3隔间和1/2 1 1/2隔间的加筋板可以避免中心板载荷偏心有关的边界条件问题，并且可以避免相邻板之间的干扰，从而获得更实际的结果。因此，在测试和模拟中使用了两个（1/2 1 1/2）托架模型，即在纵向方向上为两个半托架和一个完整托架。在两端具有1/2间隔意味着要在该边缘上施加的边界条件应允许边缘在塌陷期间旋转，这比在一个完整间隔的末端强制施加夹紧条件更易满足实验条件。
这些研究的结果是，徐和Guedes Soares[16] 已经对受压的加筋板进行了实验研究。本文对这些试样的载荷位移行为进行了数值评估，并与实验结果进行了比较。
最初的几何缺陷会严重影响加筋板的塌陷行为和极限强度。最准确的方法是使用测量的数据来说明加筋板的初始缺陷。因此，已经通过记录参考基座和板表面之间的距离来测量几何初始缺陷，并将其用于一组计算。
但是，例如，在设计阶段无法获得测量到的初始缺陷，在这种情况下，将研究等效的初始缺陷并将其用于有限元分析。在大多数初始理论研究中，都假定初始挠度与常用的三角函数具有相同的形状。为了研究在纵向压缩下初始挠度对加筋板的塌陷强度的影响，对其进行了测量的初始缺陷和等效缺陷的分析。采用三种边界条件配置来研究它们对加筋板塌陷行为的影响。短板和长板之间的塌陷方式不同，因此进行了五个具有不同框架空间的标本实验。由于无支撑的横向边缘，宽面板的总横截面积百分比降低，而宽面板的百分比却比窄面板的百分比低。较宽的面板应较少受屈曲过程中侧板边缘缺乏效力的影响。将这一系列研究与使用窄面板（两个加筋肋）进行的一系列测试进行比较，这可以分析宽度对加筋面板强度的影响。
2. 测试型号说明
由于船上加筋板的边界由纵向梁和横框架等坚固构件支撑，因此在实验和计算中，在加筋板模型中适当规定边界条件是一个重要的挑战。对模型进行建模很重要面板边缘条件的相关方式。Xu和Guedes Soares在测试中使用了带有两个（1/2 1 1/2）托架模型的加筋板[16]在图1.。使用300吨液压机对面板进行单轴压缩试验。图2显示测试中的设置，该设置旨在重现面板末端的简单支持的边界条件。框架和加筋肋的尺寸为Lx60x40x6 mm和I 30x8 mm。板的厚度为4毫米，面板的框架空间。
如图所示表格1.有关测试，测试模型和测试过程的更多详细信息，请参见[16].
影响承受压缩载荷的板和加筋板的极限强度的主要参数是板和柱的细长度，其定义如下。
板 长 : (1)
列细长: (2)
回转半径 ： (3)
板单元的有效宽度（Fp）计算为[17]: (4)
并且直接取决于结构元件的几何形状及其材料特性。
表格1面板的几何形状
非线性有限元分析
3.1. 有限元模型
FE代码ANSYS用于评估加筋板的极限强度。Shell 181元素用于FE模型中图3，这是一个四个节点的元素，在每个节点并可以说明线性，大旋转和大应变非线性。支持完全集成方案和简化集成方案。该元素适用于分析薄壁结构。壳单元网格应足够细，以正确描述模型形状（包括变形后）。因此，需要在所需的准确性和努力之间取得平衡。板中的元件尺寸在纵向为20 mm，在横向为30 mm。加筋肋的腹板中有5个元素，腹板中有10个元素，框架的法兰中有5个元素。在测试中，初始加载周期用于消除加筋肋板的残余应力，因此，在FE分析中未专门建模焊接残余应力。都考虑了几何和材料的非线性，包括弹塑性大挠度。拉伸试验中的真实应力-应变曲线[16] 用于有限元（FE）分析图4.其他材料特性是屈服应力483 MPa，杨氏模量E=200 GPa,泊松比n=0.3
。
图2.在Xu和Guedes Soares的测试中加劲板的设置[16]
图3.加筋板的有限元模型
3.2. 边界条件和载荷
图1显示了有限元分析中的坐标系和载荷。使用三种边界条件配置来研究它们对加筋板的倒塌行为和极限强度的影响，如下所述。
图1.加筋板的几何形状和坐标系
3.2.1. BC1：纵向简单支撑的边界条件
图2 结果表明，加载的顶部边缘与钢床完全接触，旨在再现面板末端简单支撑的边界条件。对于在单轴压缩载荷下的1/2 1 1/2托架模型，纵向上
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