內(nèi)嵌方框型金屬夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件極限強度分析

王 虎，吳國民，凌 昊

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

內(nèi)嵌方框型金屬夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件極限強度分析

王 虎，吳國民，凌 昊

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢 430064）

激光焊接鋼質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)在國外已用于實船，其連接構(gòu)件的強度特性，是尚待解決的關(guān)鍵問題之一?；谟邢拊治鲕浖嗀nsys，分析在面內(nèi)載荷作用下，I型金屬夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件的失效模式和極限承載能力，并研究不同形式、不同尺寸的初始缺陷，以及連接構(gòu)件的設(shè)計參數(shù)對極限載荷的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，其失效模式是普通焊接接頭處大部分區(qū)域均出現(xiàn)塑性變形，形成塑性鉸。對于各種類型初始缺陷，隨著其尺寸的增大，極限載荷均降低;夾層面板和連接構(gòu)件水平板的初始缺陷對極限載荷的影響較大，夾層腹板和連接構(gòu)件垂向板的初始缺陷的影響較小。在控制重量的條件下，欲增大極限承載能力，最有效的途徑是增大連接構(gòu)件水平板的厚度;選取合適的夾層面板端部長度;盡量減小水平板長度。

夾層結(jié)構(gòu);內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件;極限強度;初始缺陷

0 引言

夾層結(jié)構(gòu)在國外實船中已有諸多應(yīng)用實例，I型金屬夾層結(jié)構(gòu)正是其中可行性很高的一種［1－2］。相比傳統(tǒng)的加筋板結(jié)構(gòu)，I型金屬夾層結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢:其抗沖擊性能好，比強度高，可在保證船體結(jié)構(gòu)性能的前提下，降低船體結(jié)構(gòu)重量;其便利的加工方式可縮短船舶建造的生產(chǎn)周期，降低制造成本［3］。目前，有關(guān)I型金屬夾層結(jié)構(gòu)各項性能的研究已經(jīng)成熟，亟待解決的正是其連接結(jié)構(gòu)形式的選取。連接形式不僅影響船體結(jié)構(gòu)的組裝工時，也在一定程度上影響整體結(jié)構(gòu)的各項力學(xué)性能。

Pyszko［4］和 Karol Niklas［5］采用平面單元有限元模型，分析典型連接構(gòu)件在面內(nèi)載荷作用下的強度，并通過參數(shù)研究，提出面內(nèi)強度最優(yōu)的設(shè)計方案。文獻(xiàn)［6－7］提出連接構(gòu)件面外強度特性的研究方法。但目前對于連接構(gòu)件極限強度的研究尚不充分。

本文應(yīng)用有限元分析軟件Ansys，采用平面單元模型，考慮夾層結(jié)構(gòu)面板與連接構(gòu)件之間的接觸影響，研究面內(nèi)載荷作用下連接構(gòu)件的失效模式和極限承載能力，以及各型初始缺陷的尺寸和設(shè)計參數(shù)對其極限承載能力的影響規(guī)律。

1 I型夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件

傳統(tǒng)的船體甲板結(jié)構(gòu)由縱桁、橫梁與加筋板組成，而夾層甲板板架結(jié)構(gòu)則沿用了縱桁與強橫梁組成的強框架，將縱桁和強橫梁間的加筋板結(jié)構(gòu)替換為夾層板格結(jié)構(gòu)［6］，如圖1所示。實際建造中，由激光焊接車床批量生產(chǎn)I型金屬夾層板格結(jié)構(gòu)，其尺寸有限，寬度小于相鄰縱桁間距或縱桁與舷側(cè)的間距，需設(shè)計連接構(gòu)件，橫向連接夾層板格結(jié)構(gòu)［7－8］，如圖2所示。此外，在分段建造及船臺組裝工作中，也不可避免地要進(jìn)行I型金屬夾層結(jié)構(gòu)之間的橫向連接。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)在船體結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的示意圖Fig.1 The application of sandwich panel in shipbuilding

圖2 I型夾層板格結(jié)構(gòu)連接示意圖Fig.2 Connection between sandwich panels

本文選取可行性較好的內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件。其連接形式、參數(shù)及其激光焊接接頭 (夾層結(jié)構(gòu)面板和腹板之間）和普通焊接接頭 (夾層結(jié)構(gòu)與連接構(gòu)件之間）如圖3所示。

圖3 內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件及其主要設(shè)計參數(shù)Fig.3 Schema and main designing parameters of rectangular profile sandwich panel joints

2 連接構(gòu)件極限強度分析

2.1 分析模型

本文以中間含有連接構(gòu)件的夾層板格結(jié)構(gòu)為研究對象，應(yīng)用有限元分析軟件Ansys，分析其在面內(nèi)均布載荷 (取200 MPa）作用下的極限強度。采用了雙線性等向強化彈塑性材料模型和Mises屈服準(zhǔn)則。

面內(nèi)載荷作用下，縱桁與強橫梁的支持作用可以忽略，含連接構(gòu)件的夾層板格結(jié)構(gòu)及其載荷和邊界條件沿長度方向保持一致，分析模型則可簡化為平面應(yīng)變模型，故采用PLANE42單元;再考慮到結(jié)構(gòu)及載荷和邊界條件的對稱性，以及遠(yuǎn)離連接構(gòu)件的夾層結(jié)構(gòu)部分對連接構(gòu)件強度的影響甚小，采用僅含3根芯層腹板，并僅取上層面板和芯層上半部分的結(jié)構(gòu)作為分析對象，施加適當(dāng)?shù)膶ΨQ邊界約束;有限元模型如圖4所示 (設(shè)計參數(shù)取值見表1）。

表1 主要設(shè)計參數(shù)及焊接接頭尺寸取值Tab.1 The values ofmain designing parameters and weld dimensions

面內(nèi)載荷作用下，連接構(gòu)件和夾層結(jié)構(gòu)面板之間可能會發(fā)生接觸。本文在此處定義了1個接觸對，采用面－面接觸方式，選取罰函數(shù)法。將連接構(gòu)件上表面定義為接觸面，采用CONTA171單元;將夾層面板端部下表面定義為目標(biāo)面，采用TARGE169單元 (見圖4）。

圖4 普通焊接和激光焊接接頭的有限元模型Fig.4 The finite elementmodels of traditionally welded joint and laser welded joint

2.2 極限強度分析

采用弧長法求解該有限元分析模型。選取2個位移特征點，受載端部中面節(jié)點A，連接構(gòu)件X方向?qū)ΨQ邊界處中面節(jié)點B(如圖4(a）所示）;A點沿X方向 (受載方向）、B點沿Y方向的載荷位移曲線如圖5所示?？梢婋S載荷增大，出現(xiàn)了位移控制下的“疾速通過”現(xiàn)象，極限載荷為155.29 MPa。

圖5 位移特征點的載荷位移曲線Fig.5 The load-displacement curve for typical points

到達(dá)極限載荷時，結(jié)構(gòu)的整體變形和塑性應(yīng)變分布如圖6所示。由圖6(a）可見，普通焊接接頭和激光焊接接頭處出現(xiàn)一定的塑性變形，其他大部分結(jié)構(gòu)尚未進(jìn)入塑性;由圖6(b）可見，普通焊接接頭的大部分區(qū)域均出現(xiàn)塑性變形，形成了塑性鉸，最大von Mises塑性應(yīng)變高達(dá)0.412;由圖6(c）可見，靠近連接構(gòu)件的第1個激光焊接接頭也有小部分區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，von Mises塑性應(yīng)變值相對較小，最大值僅為0.516×10－3?？梢妼?dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失承載能力的主要原因是普通焊接接頭區(qū)域進(jìn)入塑性。

圖6 極限載荷作用下，內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件von Mises塑性應(yīng)變云圖 (比例1∶1）Fig.6 The von Mises strain contour of the rectangular profile joint under ultimate loading

到達(dá)極限載荷時，普通焊接接頭和激光焊接接頭處的von Mises應(yīng)力分布如圖7所示。

2.3 初始缺陷對極限載荷的影響

上述極限強度分析中，未計及初始缺陷的影響。但在實際工程中，由于測量誤差和制造公差等原因，構(gòu)件的初始缺陷在所難免［11］。本文通過施加廣義假想側(cè)向力來模擬廣義初始缺陷［12］。選取5種典型的對極限強度不利的初始缺陷 (如圖8所示），分別是連接構(gòu)件水平板的初始缺陷 (A型）、連接構(gòu)件垂向板的初始缺陷 (B型）、靠近連接構(gòu)件的夾層面板的初始缺陷 (C型）、中部夾層面板的初始缺陷(D型）和夾層腹板的初始缺陷 (E型）。

圖7 極限載荷作用下，內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件von Mises應(yīng)力云圖 (比例1∶1）Fig.7 The von Mises stress contour of the rectangular profile joint under ultimate loading

研究不同尺寸 (最大初始缺陷尺寸計為Δ(如圖8(a）所示））的各型初始缺陷對極限承載能力的影響，如圖9所示。結(jié)果顯示，對于各型初始缺陷，隨初始缺陷的增大，極限載荷均降低;C，D型初始缺陷對極限載荷的影響較大 (Δ取1 mm時，極限載荷分別下降了21.7%、14.3%，記為ΔPcr），B，E型初始缺陷的影響較小 (ΔPcr分別為2.4%、4.5%），A型初始缺陷的影響居中 (ΔPcr為6.3%）?？梢姙楸苊饷鎯?nèi)極限承載能力由于初始缺陷大幅降低，應(yīng)著重控制夾層面板和連接構(gòu)件水平板的制造公差。

圖8 5種典型的初始缺陷Fig.8 5 types of initial imperfection

圖9 對于各型初始缺陷，極限載荷隨初始缺陷尺寸的變化Fig.9 The influence of the initial imperfection size on the ultimate load for every type of initial imperfection

3 靈敏度分析

為尋求極限承載能力強，質(zhì)量又不至于過大的設(shè)計方案，需研究設(shè)計參數(shù)對極限載荷的影響規(guī)律。該模型設(shè)計參數(shù)間的關(guān)聯(lián)因素較為復(fù)雜，需計算各種參數(shù)搭配的設(shè)計方案的極限載荷。為減少大量方案計算所需的繁瑣的人工操作，通過APDL(Ansys參數(shù)化建模語言）實現(xiàn)上述參數(shù)化建模、求解和提取結(jié)果等操作;由Matlab驅(qū)動Ansys，以批處理方式進(jìn)行有限元分析;對各設(shè)計參數(shù)取一定間隔，計算所有參數(shù)搭配下的設(shè)計方案的極限載荷 (以下分析中僅列出更典型、更有實際工程應(yīng)用的設(shè)計方案的曲線），研究設(shè)計參數(shù)對極限載荷的影響規(guī)律［13］。為保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，將d2固定為0.5×wc。

3.1 d3的影響規(guī)律

取t1為1.00×tf，t2為1.00×tc，d1為0.475～0.875×d2，研究極限載荷Pcr隨d3變化規(guī)律，如圖10(a）所示。結(jié)果顯示，對于d1的各個取值，隨d3增大，Pcr均減小?？蓪⒃摻Y(jié)構(gòu)簡化為軸向壓載作用下的3跨連續(xù)梁:夾層面板為連續(xù)梁，連接構(gòu)件和夾層腹板為彈性支座;隨d3增大，連接構(gòu)件水平板增長，連接構(gòu)件作為彈性支座的支持剛度下降，結(jié)構(gòu)的極限承載能力降低。對于t1和t2的其他取值，也有相同規(guī)律。

3.2 d1的影響規(guī)律

圖10 d3和d1對極限載荷Pcr的靈敏度分析曲線Fig.10 The sensitivity analysis curve of d3 and d1 to the ultimate load Pcr

取 t1為1.00～1.67×tf，t2為0.50、1.00×tc，d3為滿足焊接工藝條件下可取的最小值，研究極限載荷Pcr隨d1變化規(guī)律，如圖10(b）所示。結(jié)果顯示，t1較小時，隨d1減小，Pcr減小;t1較大時，隨d1減小，Pcr先增大，達(dá)到某一極大值 (將此時的d1記為d1opt）后減小。這是因為t1較小時，水平板可傳遞的支撐作用小，d1減小時，d3增大，水平板增長，連接構(gòu)件作為彈性支座的的支持剛度下降，Pcr減小。而t1較大時，水平板可傳遞的支撐作用較大，特別是d1較大時，水平板可為連續(xù)梁端部提供足夠支撐，此時d1減小，夾層面板端部長度減小，連續(xù)梁的跨距減小，Pcr增大;但d1減小到一定程度后，由于水平板過長，連接構(gòu)件不足以支撐連續(xù)梁端部，此時再減小d1，Pcr則下降。對于t1和t2的其他取值，也有相同規(guī)律。

3.3 t1和t2的影響規(guī)律

圖11 t1和t2對極限載荷Pcr的靈敏度分析曲線Fig.11 The sensitivity analysis curve of t1 and t2 to the ultimate load Pcr

取 t2為(0.50～1.00）×tc，t1為(1.00～1.67）×tf，d1為0.675×d2，d3為可取的最小值，研究極限載荷Pcr隨t1和t2的變化規(guī)律，如圖11所示。結(jié)果顯示，隨t1和t2增大，Pcr均增大;二者的增大幅度均隨其增大而減小;相比之下，t1對Pcr的影響更大。這是因為t1和t2越大，連接構(gòu)件作為多跨梁彈性支座的支持剛度越大，極限載荷越大;但支持剛度增大到一定程度后，會無限逼近剛性支持，支持剛度對極限載荷的影響隨支持剛度的增大而減小，因此Pcr增幅隨t1和t2的增大而減小;水平板起直接支撐作用，而垂向板起間接支撐作用，因此t1對Pcr的影響更大。對于d3和d1的其他取值，也有相同規(guī)律。

基于上述靈敏度分析曲線，采用有限差分法，求解設(shè)計點處Pcr和連接構(gòu)件重量對各設(shè)計參數(shù)的靈敏度值，結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，對于對Pcr的影響，d3和d1較小，t1最大，t2居中;但對于對結(jié)構(gòu)重量的影響，d3和d1影響很小，t2和t1較大;從單位重量增量對Pcr的影響而言，t1最大，d1和d3次之，t2最小。因此欲增大連接構(gòu)件的極限承載能力，又不至于使結(jié)構(gòu)重量過大，首先應(yīng)考慮增大t1(t1過大時，Pcr隨t1的增大幅度也會減?。?其次選取合適的d1(即d1opt），并在滿足焊接工藝要求的前提下盡量減小d3;最后適當(dāng)增大t2。

靈敏度分析的結(jié)果可為連接構(gòu)件的設(shè)計提供一定參考作用，對I型金屬夾層結(jié)構(gòu)在船體上的應(yīng)用有一定促進(jìn)作用。

表2 靈敏度分析結(jié)果Tab.1 Results of sensitivity analysis

4 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元分析軟件Ansys，采用平面單元模型，研究面內(nèi)載荷作用下內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件的失效模式和極限承載能力，以及各型初始缺陷和設(shè)計參數(shù)對極限承載能力的影響規(guī)律，形成如下結(jié)論:

1）面內(nèi)載荷作用下，內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件的失效模式是普通焊接接頭處大部分區(qū)域進(jìn)入塑性，形成塑性鉸。

2）對于各型初始缺陷，隨初始缺陷尺寸的增大，極限載荷降低;夾層面板和連接構(gòu)件水平板的初始缺陷對極限載荷的影響較大，夾層腹板和連接構(gòu)件垂向板的初始缺陷對極限載荷的影響較小。

3）在控制結(jié)構(gòu)重量的條件下，欲增大內(nèi)嵌方框型連接構(gòu)件的極限承載能力，應(yīng)首先考慮適當(dāng)增大連接構(gòu)件水平板的厚度;選取合適的夾層面板端部長度，盡量減小水平板長度;其次考慮增大連接構(gòu)件垂向板的厚度。

［1］BOSHIDAR M.Sandwich panels in shipbuilding［J］.Polish Maritime Research，2006，Spec.Issue:5 －8.

［2］PENTTI K，ALAN K.Steel sandwich panels in marine applications［J］.Brodogradnja，2005，56(4）:305 －314.

［3］ROLAND F，REINERT T.Laser welded sandwich panels for the shipbuilding industry［C］.Lightweight Construction-Latest Developments，London，2000:1 －12.

［4］RYSZARD P.Strength assessment of a version of joint of sandwich panels［J］.Polish Maritime Research，2006，Spec.Issue:17 －20.

［5］KAROL N.Search for optimum geometry of selected steel sandwich panel joints［J］.Polish Maritime Research，2008，15(2）:26－31.

［6］王虎，程遠(yuǎn)勝，劉均.I型金屬夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件強度數(shù)值計算方法研究［J］.中國艦船研究，2012，7(3）:51－56.

WANG Hu，CHENG Yuan-sheng，LIU Jun.Strength analysis on model I-core Steel sandwich panel joints［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7(3）:51 －56.

［7］丁德勇，王虎，凌昊，等.I型金屬夾層結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件強度特性研究及靈敏度分析［J］.中國艦船研究，2014，9(2）.

DING De-yong，WANG Hu，LING Hao，et al.Strength property study and sensitivity analysis of I-core steel sandwich panel joints［J］.Chinese Journal of Ship Research，2014，9(2）.

［8］JANUSZ K.Selected problems on application of steel sandwich panels to marine structures［J］.Polish Maritime Research，2009，16(4）:9 －15.

［9］JANUSZ K.Forecasting of fatigue life of laser welded joints［J］.Zagadnienia EksploatacjiMaszyn，2007，149(1）:85 －94.

［10］初艷玲.考慮初始缺陷的結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析與應(yīng)用［J］.中國造船，2010，51(3）:119 －127.

CHU Yan-ling.Study on non linear buckling analysis considering initial imperfection［J］.Shipbuilding of China，2010，51(3）:119 －127.

［11］康孝先，強士中.初始缺陷對任意邊界板極限承載力的影響分析［J］.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2008，25(4）:664 －668.

KANG Xiao-xian，QIANG Shi-zhong.Analysis of the infulence of initial imperfection on the limit load of the plate with any boundary condition［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2008，25(4）:664 －668.

［12］胡長明，董攀，沈勤，等.扣件式鋼管高大模板支架整體穩(wěn)定試驗研究［J］.施工技術(shù)，2009，38(4）:70 －74.

HU Chang-ming， DONG Pan， SHEN Qin， et al.Experimental research of global stability of fastener-style steel tubular high-formwork-support［J］.Construction Technology，2009，38(4）:70 －74.

［13］程剛，郭永存，胡坤.基于Pro/E帶式輸送機(jī)傳動滾筒相關(guān)參數(shù)靈敏度分析［J］.煤礦機(jī)械，2012，33(1）:89 －92.

CHENG Gang，GUO Yong-cun，HU Kun.Related parameter sensitivity analysis of conveyor belt transmission roller based on Pro/E［J］.Coal Mine Machinery，2012，33(1）:89－92.

The ultimate strength property analysis on rectangular profile joint of steel sandwich panel

WANG Hu，WU Guo-min，LING Hao
(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

The laser welded steel sandwich structures have been used in real ship structures.The strength of joint between sandwich panels is one of the key issues to be solved.The failuremode and ultimate load of the rectangular profile joint under in-plane loading was analyzed utilizing Ansys，with the effect of initial imperfections of different size and different types discussed.The sensitivity analysis of design parameters on the ultimate loading was also carried out.It is shown that the joint becomes invalid because large plastic deformation occurs in the most part of the joint，with the plastic hinge formed.For every type of the initial imperfection mentioned，along with the size of the initial imperfection increased，the ultimate loads decrease.The initial imperfections from the face plate of the sandwich panel and the horizontal plate of the joint have a huge influence on the ultimate load，while the initial imperfections from the web plate of the panel and the vertical plate of the jointaffect the ultimate loads in a lower degree.With themass acceptable，themeasures to increase the ultimate load were searched.Themost effectiveway is to increase the thickness of the horizontal plate，with the sandwich panel end length suitably selected，and the horizontal plate length decreased.

steel sandwich panel;rectangular profile joint;ultimate strength;initial imperfection

U661.43

A

1672－7649(2014）04－0043－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.008

2013－07－12;

2013－08－30

王虎(1986－），男，碩士，助理工程師，研究方向為船體結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計。