點(diǎn)蝕損傷對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度的影響

，，

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢 430033)

潛艇長期服役于環(huán)境復(fù)雜、鹽度較高的深海中，加之其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜特殊，腐蝕問題相比水面艦船更為重要[1- 3]。探尋環(huán)肋圓柱殼受腐蝕損傷后的極限強(qiáng)度，對于評估潛艇的承載能力，保證潛艇的安全性具有極其重要的意義。以受點(diǎn)蝕損傷的環(huán)肋圓柱殼為研究對象，考慮其在靜水壓力下，點(diǎn)蝕坑的深度、直徑、分布位置及密度對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度的影響，并分析結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，為潛艇結(jié)構(gòu)的檢修提供參考[4- 6]。

1 計(jì)算模型建立

殼體與肋骨均采用ANSYS中的shell181單元。左端邊界固定支持，右端邊界僅放松軸向約束，右端邊界處節(jié)點(diǎn)施加軸向集中載荷F，殼板上施加均布載荷P。集中載荷F的方向指向殼板內(nèi)部，載荷值為

(1)

式中：n為圓柱殼周向節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；p為靜水壓強(qiáng)。

為驗(yàn)證單元尺寸對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度計(jì)算的影響，選擇不同的單元尺寸計(jì)算同一環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度。由于點(diǎn)蝕在環(huán)肋圓柱殼點(diǎn)蝕坑處有網(wǎng)格細(xì)化，這無法對比單元尺寸大小的影響。因此本文主要考慮無腐蝕處的環(huán)肋圓柱殼以下4種網(wǎng)格劃分的最優(yōu)方式，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)模型的4種網(wǎng)格劃分

由表1可見，當(dāng)單元尺寸小于100 mm時(shí)，極限承載力計(jì)算結(jié)果變化不大。且網(wǎng)格2與網(wǎng)格3的極限承載力相差1.52%，網(wǎng)格3與網(wǎng)格4的極限承載力相差0.85%。綜合考慮本次計(jì)算精度和計(jì)算速度，本文選取網(wǎng)格3作為模型網(wǎng)格。

2 腐蝕坑幾何尺寸對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度影響

以含點(diǎn)蝕損傷的環(huán)肋圓柱殼作為研究對象，采用控制變量法，通過改變單個(gè)腐蝕坑的深度、直徑建立系列計(jì)算模型，使用弧長法分析結(jié)構(gòu)的極限承載力，定性討論腐蝕坑幾何尺寸對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度pu的影響。

2.1 腐蝕坑尺寸變化范圍

大量實(shí)艇勘驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，點(diǎn)蝕坑的最大直徑不超過100 mm，而且點(diǎn)蝕直徑和深度基本服從對數(shù)正態(tài)分布。此外，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，耐壓船體肋骨間殼板凹凸度允許值為0.2t，否則考慮更換板材或者及時(shí)修理。大量研究表明[7- 10]，對于圓錐形和半球形點(diǎn)坑可以根據(jù)等體積變換為圓柱形蝕坑。結(jié)合以上分析，將點(diǎn)蝕坑簡化為圓柱形，相應(yīng)的尺寸如表2所示。

表2 腐蝕坑尺寸

2.2 腐蝕坑深度變化對pu的影響

圖1為極限強(qiáng)度隨蝕坑深度的變化。

圖1 極限強(qiáng)度隨蝕坑深度的變化

由圖1可見，保持蝕坑直徑為80 mm的情況下，通過改變跨中區(qū)域單個(gè)蝕坑的深度，深度范圍在0～0.2t內(nèi)取值，環(huán)肋圓柱殼的極限強(qiáng)度pu在15.587 MPa左右，基本保持不變。

2.3 腐蝕坑直徑變化對pu的影響

假定腐蝕坑保持深度h0=0.2t不變，將腐蝕坑固定在跨中位置，改變腐蝕坑直徑d0的數(shù)值，在20～100 mm范圍內(nèi)等間距取值。

圖2為蝕坑直徑。

圖2 極限強(qiáng)度隨蝕坑直徑的變化

由圖2可見，保持蝕坑深度為0.2t的情況下，通過改變跨中區(qū)域單個(gè)蝕坑的直徑，直徑范圍在20～100 mm內(nèi)取值，環(huán)肋圓柱殼的極限強(qiáng)度pu在15.587 MPa左右，基本保持不變。

3 腐蝕坑分布密度對pu的影響

為了闡明腐蝕坑密度對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度的影響，常常使用參數(shù)耐壓殼表面受蝕面積與原始面積的百分比(degree of pit corrosion，DOP)表示，即

(2)

式中：n為腐蝕坑的數(shù)量；Api為單個(gè)腐蝕坑表面積，對于圓柱形腐蝕坑，

(3)

式中：rpi為腐蝕坑半徑。

本節(jié)選取蝕坑尺寸最大的工況(即λ=0.2,d0=100 mm)，改變腐蝕坑的點(diǎn)蝕分布密度(縱向數(shù)目不變，周向數(shù)目均勻增多)，為避免點(diǎn)蝕坑的分布方式對結(jié)果產(chǎn)生影響，本節(jié)沿周向?qū)h(huán)肋圓柱殼平均分為4塊，在每一塊的肋間殼板中央部位取1、2、3個(gè)點(diǎn)蝕坑，建立3種均布點(diǎn)蝕模型，蝕坑總個(gè)數(shù)為n，分布方式如圖3所示，蝕坑細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 蝕坑細(xì)節(jié)

腐蝕類型極限強(qiáng)度/MPa分布一(n=56,DOP=2.38%)15.4067分布二(n=112,DOP=4.76%)15.3862分布三(n=168,DOP=7.14%)15.3324

表3表明，相同蝕坑幾何參數(shù)下，均布多點(diǎn)坑的極限強(qiáng)度較單個(gè)點(diǎn)坑有著明顯的下降。但是隨著均布蝕坑密度的逐漸增大，環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度雖然略有下降，但是幅度不大。對于在腐蝕坑處產(chǎn)生局部破壞的環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，腐蝕坑密度分布變化對該結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響不大。

4 腐蝕坑位置分布變化對pu的影響

環(huán)肋圓柱殼所受局部腐蝕是隨機(jī)的,既可能出現(xiàn)在肋骨及其周圍的殼板位置,也可能只出現(xiàn)在肋骨之間的殼板上。選取腐蝕坑的位置時(shí),考慮如下2種最具典型性的危險(xiǎn)狀態(tài)[11]。

(1)蝕坑位置1：腐蝕中心位于跨中肋間殼板位置,該跨肋間殼板邊緣的跨端均無腐蝕損傷。如圖5所示。

圖5 蝕坑位于跨中肋間殼板

(2)蝕坑位置2：腐蝕中心位于跨端肋骨位,置相鄰兩跨肋間殼板均未發(fā)生腐蝕。如圖6所示。

圖6 蝕坑中心位于跨端肋骨區(qū)域

表4為不同點(diǎn)蝕位置下的極限強(qiáng)度。由表4可見，在相同腐蝕坑參數(shù)下，加肋圓柱殼的腐蝕發(fā)生在跨端肋骨區(qū)域與腐蝕發(fā)生在肋間殼板相比，極限強(qiáng)度偏小，且跨端腐蝕坑隨著幾何尺寸的變化，其極限強(qiáng)度變化也不明顯。

表4 不同點(diǎn)蝕分布位置情況下的極限強(qiáng)度(λ=0.2)

5 不同點(diǎn)坑位置對加肋圓柱殼破壞機(jī)理分析

采用理想彈塑性材料，采用Mises屈服準(zhǔn)則，邊界條件及加載方法同上，運(yùn)用弧長法追蹤點(diǎn)蝕損傷下，加肋圓柱殼在整個(gè)加載過程中實(shí)際的載荷、位移關(guān)系，分析其結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。

5.1 工況一：蝕坑在跨端肋骨區(qū)域

選取加肋圓柱殼蝕坑中心、蝕坑邊緣及殼板位移最大點(diǎn)，分析其載荷增加位移的變化。圖8為加肋圓柱殼蝕坑中心、蝕坑邊緣及殼板位移最大點(diǎn)的載荷- 位移曲線圖。

從圖7蝕坑位移云圖可知，受點(diǎn)蝕損傷的環(huán)肋圓柱殼在靜水外壓作用下，破壞模式為局部失穩(wěn)破壞。破壞區(qū)域主要集中在蝕坑兩側(cè)殼板處，對稱分布，離約束端較遠(yuǎn)殼板變形更大。蝕坑所在跨端肋骨處變形很小。

圖8選取環(huán)肋圓柱殼上蝕坑中心、蝕坑邊緣及殼板上3個(gè)位移最大的節(jié)點(diǎn)所作的載荷- 位移曲線，曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的極限載荷約為15.53 MPa。節(jié)點(diǎn)位移變化表明，在同一載荷作用下，蝕坑中心的節(jié)點(diǎn)node1所發(fā)生的位移小于蝕坑邊緣node2所發(fā)生的位移，表明在逐漸增加的外載荷作用下，蝕坑中心的剛度相對較低，更容易發(fā)生破壞變形。除此之外，蝕坑附近離約束端較近的殼板節(jié)點(diǎn)位移node3明顯小于離約束端較遠(yuǎn)的殼板節(jié)點(diǎn)位移node4，這說明在縱向彎矩影響下，遠(yuǎn)端殼板率先發(fā)生位移，進(jìn)而帶動(dòng)近端殼板沿徑向變形[12]。

圖7 蝕坑在跨端處結(jié)構(gòu)的位移云圖

圖8 蝕坑在跨端處結(jié)構(gòu)的載荷位移

5.2 工況二：蝕坑在跨中殼板區(qū)域

從圖9點(diǎn)蝕坑位移云圖可知，受點(diǎn)蝕損傷環(huán)肋圓柱殼在靜水外壓作用下，破壞模式為局部失穩(wěn)破壞，破壞區(qū)域集中在蝕坑附近。

圖9 蝕坑在跨中處結(jié)構(gòu)的位移云圖

選取環(huán)肋圓柱殼上蝕坑中心和蝕坑邊緣上2個(gè)位移最大的節(jié)點(diǎn)所作的載荷- 位移曲線見圖10。

圖10 蝕坑在跨中處結(jié)構(gòu)的載荷位移

可見，曲線峰值點(diǎn)對應(yīng)的極限載荷約為15.58 MPa。且在同一載荷作用下，蝕坑中心的節(jié)點(diǎn)node1所發(fā)生的位移小于蝕坑邊緣node2所發(fā)生的位移，表明在逐漸增加的外載荷作用下，蝕坑中心的剛度相對較低，更容易發(fā)生破壞變形。

6 結(jié)論

1)在工程實(shí)際背景下，研究跨中殼板區(qū)域單個(gè)蝕坑對環(huán)肋圓柱殼極限強(qiáng)度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著蝕坑尺寸(λ≤0.2,d0≤100 mm)變化，極限強(qiáng)度變化并不明顯。

2)均布點(diǎn)蝕下，對于在腐蝕坑處產(chǎn)生局部損傷的環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，腐蝕坑密度分布變化對該結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響不大。

3)對于受點(diǎn)蝕損傷的環(huán)肋圓柱殼，在逐漸增加的外載荷下，跨端肋骨區(qū)域受點(diǎn)蝕損傷比跨中殼板區(qū)域受腐蝕損傷相比，極限強(qiáng)度稍有降低。從破壞機(jī)理研究分析可知，蝕坑中心的剛度相對較低，更容易發(fā)生破壞。

4)在工程實(shí)際背景下，對于環(huán)肋圓柱殼結(jié)構(gòu)，改變腐蝕坑的尺寸、分布位置和密度對于整體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度影響并不明顯。

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