几何缺陷对单轴压缩和侧向压力共同作用下铝加筋板极限强度的影响外文翻译资料

 2022-08-22 15:09:09

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几何缺陷对单轴压缩和侧向压力共同作用下铝加筋板极限强度的影响

Mohammad Reza Khedmatialowast;，Masoud Pedrama和Philippe Rigob

a伊朗德黑兰阿米尔卡比尔工业大学海洋技术学院；bANAST，比利时列日大学，列日大学

本研究旨在确定在轴向压缩和侧向压力作用下，几何缺陷对铝加强板的极限强度和承载能力的影响。本研究使用的是ISSC III.1委员会“极限强度” 2003年提出的有限元模型。分析中考虑了ISSC委员会建议的初始缺陷以及船舶结构委员会建议的初始缺陷。使用非线性有限元弹塑性分析测试模型。选择铝合金AA6082-T6作为模型材料。研究的模型是通过挤压或非挤压角钢型材加固的三跨面板。考虑了热影响区（HAZ）的不同布置。这项研究的主要结果表明，需要对初始变形的真实形状进行细微的评估。通过有限元分析阐明了它们影响模型极限强度的方式。

关键字：铝板；初始缺陷极限强度;有限元分析;热影响区

命名

  1. 横向框架之间的距离
  2. 纵向加筋肋之间的距离

B 面板总宽度

E 杨氏模量

hw 加筋肋的高度

L 面板总长

t 板厚

  1. 沿x轴的位移
  2. 沿y轴的位移
  3. 沿z轴的位移

W欧宝 加筋肋之间板的屈曲型初始挠度

Wolowast;pl 最大屈曲型初始挠度

加筋肋之间的镀层厚度

Woc 加筋肋的柱式挠度

Wolowast;c 加筋肋的最大柱型挠度

W操作系统 加筋肋的侧向初始挠度

Wolowast;s 加筋肋的最大侧向初始挠度

,

nu; 泊松比

sigma;Y 屈服应力

sigma;y 初始屈服应力

sigma; 平均压力

sigma;u 极限强度阶段的平均应力

sigma;雅兹 热影响区的屈服应力

theta;x 绕x轴旋转

theta;y 绕y轴旋转

theta;z 绕z轴旋转

介绍

加筋板在许多民用和海事结构应用中用作主要支撑构件。它们通常由一块板组成，该板的一侧焊接有等间距的加筋肋，通常带有中间的横向加筋肋或隔板。最规则的加筋肋横截面是球形，扁钢或T型和L型截面。这种结构布置对于钢结构和铝结构都是常见的。

铝板在1990年代首次用于船舶，轮船和高速双履带等船舶（Collette 2005）。这些面板的主要作用是加强对抗平面中铝板的配合强度。这是因为铝合金的本构应力-应变关系不同于结构钢。在弹塑性与结构钢相比，在比例极限之后的范围内，应变硬化对铝结构的极限载荷行为有重要影响，而在钢结构中，弹性-完全塑性材料模型被很好地采用。此外，热影响区（HAZ）的软化会显着影响铝结构的极限强度行为，而对钢结构的影响则不那么重要（Khed-mati等，2009）。

对铝结构的研究不如对钢结构的广泛研究。例如，Paik和Thin Horseayamballi（2006）总结了与ULS设计技术有关的一些重要进展，这些技术用于设计船舶和海上钢结构物。他们在建造海洋结构时考虑了一些最重要的因素，例如加筋板，波纹板，船体，以及与制造有关的初始缺陷，腐蚀，疲劳裂纹和局部损坏。认为需要对铝结构也进行此类研究。

Clarck的测试（Clarke和Narayanan 1987）是对铝板进行的首批研究之一。包括八种不同的焊接面板。扁钢和丁字筋被用作加强筋。铝结构压缩塌陷研究中最大，最相关的实验之一是Mofflin进行的一系列76块板的压缩塌陷试验（Collette 2005）。该测试研究了用于高速容器制造的两种最典型的合金：5083和6082系列。专门进行了测试以明确面外偏转，纵向焊缝和横向焊缝的影响。Aalberg等。（2001）对挤压铝板进行了类似的测试。测试面板由单跨AA6082-T6加筋板组成，带有开放的L形或封闭的梯形加筋肋。Zha和Moan（2001）和Zha（2003）对船型铝板进行了一系列压缩测试。实验研究了25个扁钢加筋肋板，其尺寸设计成使加筋肋的绊倒是主要的破坏模式。面板由AA5083-H116和AA6082-T6合金制成，并通过焊接制成。边界条件仅在横向端和自由纵向侧得到支撑。Hopperstad等。（1997年）测试了加筋板的压缩状态，并将结果与使用ABAQUS商业代码开发的非线性有限元预测进行了比较，并取得了很好的一致性。他们还将Mofflin的实验平板测试与ABAQUS结果进行了比较，并再次观察到良好的一致性。Herrington和Latorre（1998）对带有浮动框架的铝面板进行了实验和数值研究。事实证明，这种构造方法在侧向压力作用下是有效的。Kristensen和Moan（1999）用ABAQUS商业代码研究了未加筋的简支铝板的响应，研究了轴向压缩，双轴压缩，剪切和变形及组合工况。他们研究了几种不同的合金，并通过对比各种热影响区的位置和宽度研究了热影响区的效果。Rigo等。（2003年）概述了铝板极限强度的敏感性研究，该研究基于对ISSC2003年委员会III.1“最终强度”进行的基准研究。选择与Aalberg等人的实验研究相同的挤压横截面，并比较了几个有限元代码，以研究压缩塌陷，并在结果之间观察到良好的一致性。但是，进行了敏感性研究，以研究热影响区范围，热影响区的位置，包括中跨的横向焊缝，残余应力，初始平面外变形和材料性能。最重要的因素是热影响区的位置和大小，尤其是横向焊缝，其他因素对极限强度的影响较小。

在船舶结构委员会支持的两个系列测试中，Paik等人考虑到高速船的结构，建造了78块焊接铝盘（Paik et al。2008，Paik 2009）。对这些小组进行了研究，并根据这些观察结果并使用统计方法开发了一些经验公式。在面板上进行了进一步的研究，以确定其极限强度和破坏模式。调查包括采用MIG和FSW方法的焊接面板。此外，还对面板的有限元分析提出了建议。最后，将计算结果和实验结果相互比较，并观察到它们之间的良好一致性。

Sielski（2008）通过概述铝结构的未来趋势和研究需求，为研究人员建立了路线图。这些研究需要对以下领域进行研究：材料性能，结构设计，结构细节，焊接和制造，铝与钢的连接，残余应力和变形，疲劳设计和分析，防火，振动，维护和修理，减轻冲击载荷和新兴技术。通过有限元研究的进一步发展，进行弹塑性大挠度分析而加快了对不同结构的屈曲和极限强度领域的研究（Kim等，2009）。Khedmati等（2009）研究了镀层厚度，加强筋外形和尺寸变化对铝板极限强度和屈曲行为的影响。在研究中还考虑了由于焊接引起的最初缺陷。Khedmati和Ghavami（2009）考虑到固定/浮动加筋肋板研究中的缺点，建立了一系列有限元研究以发现加筋方法的优缺点。使用非线性有限元方法分析了Lattore面板和四个类似面板的尺寸。Khedmati等。（2010年），与ISSC 2003年第III.1委员会“超强度”所做的调查同时，选择了委员会的提出的模型并在轴向压缩和侧向压力下对其进行了分析。此外，本森等（2011年），使用非线性有限元方法，计算了一系列未加硬的铝板的强度，其材料和几何参数通常用于高速船的船体尺寸设计。基于一些参数研究，他们证明了几何和材料因素对板在崩溃点之前和之后的强度都有重要影响。从铝强度的研究中可以理解，已经采用了几种不同的方法来对焊接引起的初始缺陷进行建模，尤其是在有限元研究中。在大多数研究中，来自实验性研究的观察已得到实施。Paik的经验公式和Rigo提出的建模几何缺陷的程序是两种主要且最易于实施的方法。在本研究中，选择了ISSC2003提出的有限元模型。铝合金AA6082-T6是用于这些面板的材料。上述步骤在模型上执行，并使用非线性有限元分析在面内压缩和侧向压力的组合载荷条件下进行测试。最后，比较了两种缺陷模型的结果，并得出了正确的结论。

分析模型

结构布置和几何特征

Rigo等（2003年）考虑了由铝型材制成的L型加筋肋的三跨板，通过焊接连接进行有限元分析。本研究也选择了该模型。图1说明了具有XYZ坐标系和U–V–W对应位移的模型的几何规格。Rigo等。（2003年）进行了详细的基准研究，以研究平面内压缩作用下加硬铝板的极限强度。他们介绍了该模型，将其作为进行有限元研究的合适模型，并在研究轴向压缩铝加筋肋板的性能时获得可靠的结果。

图1. Rigo等人的基准研究中使用的三跨模型。（2003）。

有限元素代码和采用的元素

本研究中的所有分析均使用商业有限元代码ANSYS进行。从程序元素库中选择SHELL181元素，以离散加筋板模型。SHELL181非常适合对中等厚度的壳体结构建模。元素在每个节点上具有六个自由度：节点x，y和z方向上节点x，y和z轴。该单元具有可塑性，粘弹性，应力刚度，大挠度和大应变能力（ANSYS 2007）。

材料的机械性能

模型是用AA6082 T6铝合金进行的，根据Aalberg等人的实验结果选择了应力-应变曲线。（2001）。该合金的应力-应变曲线如图2所示。该合金的机械性能如表1所示。

图2.标准状态和热影响区中铝材料的平均应力-平均应变曲线。（此图在线提供彩色。）

边界和加载条件

在本研究中，如Rigo等人所提出。（2003年），沿纵向边缘（空载），简单地支持加筋板的假定边界条件，并保持直线约束边缘。

限制加载的边缘旋转，并规定轴向位移（WV=0并限制旋转角度theta;y0，一侧为U 0，另一侧为UUlowast;。在两个受力边缘，由于横向刚性框架，横截面保持平面。应该注意的是，假定两个端部框架（T1和T4）是完全刚性的（图1）。它们的尺寸是1262.5 71.8 mm2和10 mm的厚度。

= =

= = =

times;

T2和T3框架的中间支撑位置厚度为3毫米（图1）。这两个中间框架和两个端部框架为加强筋的五个纵向和横向变形提供了支撑。这意味着V沿对称轴被限制在主板的四个点上（图3）。此外，未加载的纵向边缘保持笔直（V沿这两个边缘保持恒定）。由于如果存在刚性横向框架，则不允许沿这两个端部横向板沿Z的位移（W）。对于主板和两个端部横向支撑板之间的交点处的所有节点，假定W=0（图3）。

=

在纯平面压缩的情况下，均匀的平面位移会施加在一个加载边上，而另一个加载边会受到限制而无法进行平面内移动。当除了平面内压缩之外还存在侧向压力时，首先将侧向压力逐渐施加到相关值，然后以递增方式在模型上施加均匀的平面内位移。

图3.模型的边界条件。（此图可在线获得颜色。）

初始缺陷

有几个因素会影响铝加强板结构部件的强度。重要因素之一是初始缺陷。Paik等（2008年）将铝加强板的初始缺陷分为六类主要焊接形式，即：钢板的初始变形（在加强筋之间），圆柱型的加强筋初始变形，侧向的加强筋初始变形，电镀残余应力，加强筋的残余应力和热影响区的软化。基于这些观察，他们开发了用于缺陷的有限元建模的经验公式（Paik 2009）。上面提到的前三个缺陷组件称为几何缺陷（图4），而其余的其他组件称为机械缺陷。

图4.基于Paik的几何缺陷示意图

      1. 机械缺陷

根据Paik等。（2008年），当铝面板的不同成分使用熔焊工艺组装时，在热影响区会出现软化现象。

热影响区的软化的特征是热影响区的屈服强度降低（如图2所示）和热影响区的程度（有关软化宽度的进一步说明，请参见第2.6节）。在机械缺陷中，在本研究中仅考虑了热影响区的软化。这是因为本研究的主要思想是研究几何缺陷对铝质加强板极限强度的影响。

      1. 几何缺陷

这些是在构建过程中面板中产生的变形。这些初始变形的模型基本上取决于实验观察。

        1. Paik关于缺陷建模的说明。根据Paik对最初缺陷的观察，开发了以下配方。这些公式已经在本研究中使用。

图5. Paik等人（2008）的几何缺陷建模说明：（a）结构中央面板中加筋肋的CIP类型的柱初变形，横向框架处的横截面随关于y轴（CIPFROTY）；（b）结构中央面板中加筋肋的CIS类型的圆柱体初始变形，横向框架的横截面相对于y轴旋转（CIS-FROTY）。

在模型上施加不同的缺陷：通过一组静态分析，将

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