Y形加筋板的极限强度

华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文1本科生毕业设计（论文）参考文献译文本译文出处：AdvancesinMarineStructures–GuedesSoares&Fricke(eds)院系船舶与海洋工程专业班级船海1104姓名张博文学号U201112298指导教师许明财2015年3月华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文2译文要求译文内容须与课题（或专业内容）联系，并需在封面注明详细出处。一、出处格式为图书：作者.书名.版本（第×版）.译者.出版地：出版者，出版年.起页～止页期刊：作者.文章名称.期刊名称，年号，卷号（期号）：起页～止页二、译文不少于5000汉字（或2万印刷符）。三、翻译内容用五号宋体字编辑，采用A4号纸双面打印，封面与封底采用浅蓝色封面纸（卡纸）打印。要求内容明确，语句通顺。四、译文及其相应参考文献一起装订，顺序依次为封面、译文、文献。五、翻译应在第七学期完成。译文评阅导师评语应根据学校“译文要求”，对学生译文翻译的准确性、翻译数量以及译文的文字表述情况等做具体的评价后，再评分。评分：___________________（百分制）指导教师（签名）：___________________年月日铝质Y形加筋板的极限强度1.前言华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文3加筋板作为主要的支撑构件应用于许多陆地与海洋结构物。这类结构通常由等间距焊接在板上的加强筋构成，中间经常有横向加强肋或者舱壁。最常见的加筋板横截面为，球扁钢形，T形或L形。这类结构在钢结构与铝结构中都很常见。铝制板材已广泛应用于各种海洋结构物，例如高速船舶的船壳与甲板，双体船以及船舶的上层建筑。最近，一些新的双层钢结构被发明以实现更好的能量吸收效果。Y形截面，矩形箱截面，梯形箱截面，X形截面以及波纹形结构是近来新发明的几种加筋板结构。这些新设计的目的是防止在碰撞或搁浅时出现。这类结构的某些例子如图1所示。图1钢质加筋板的极限强度是许多研究项目的课题，不论是实验还是数值模拟，这些研究在船舶结构与桥梁领域有着重要的贡献。而有关铝质加筋板的文献则较少，《轴向压缩下AA6082-T6铝质加筋板的极限强度》（阿尔伯等1999至2001年）运用以数值计算和实验的研究方法。克里斯滕森和莫恩（1999年）用数据表现了双向加载下热影响区和残留应力对于铝质矩形板极限强度的影响。最近，派克等人（2009年）进行了搅拌摩擦焊接的铝质加筋板结果的屈曲破坏实验。Khedmati等人（2009年）运用非线性有限元方法研究了高强度铝合金加筋板同时承受轴向压缩载荷和不同大小的横向载荷时的屈曲。Ludolphy(2001).和Badran等人(2007)讨论了Y型加强筋的稳定性，计算Y型加强筋薄弱处弹性屈曲系数和临界屈曲应力与屈曲载荷，并通过曲线拟合获取结果，获得T形部分和Y形加强筋弹性屈曲系数的近似计算公式。巴德兰等人（2008年）研究了Y形加强筋的稳定性以及合适的条件下与之等效的T形加强筋。Klanac等人（2005）对10种不同替代性钢质夹层防撞结构进行了定性评估，并与传统的双层舷侧结构进行对比。一种新的结构可以提供高出40%的碰撞吸能效果。巴德兰等人（2009年）使用多目标优化的实数编码遗传算法进行考虑极限强度最佳的Y型加强板的组合设计。上述的大多数研究中，仅考虑了传统的加强筋受到面内压缩的情况。在本文中，使用非华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文4线性有限元方法研究了铝质加筋板的后屈曲行为和承受轴向压缩的极限强度。Y形加强筋被选为研究对象。加筋板的尺寸在研究中以系统的方式变化。此外，焊接引发的变形和热影响区的软化在研究中均有所考虑。2.有限元分析几何非线性弹塑性有限元分析是唯一能够模拟加筋板的屈曲和准静态压缩的方法。为了预测薄板结构的极限强度，所采用的平板壳单元同时考虑了薄膜结构和抗弯刚度。网格尺寸需要足够精细以反映长波长的屈曲模态，例如扭转屈曲，同时考虑到横向框架的连续性。此外，单元划分需要初始缺陷以保证屈曲的发生。有许多方法可以提高非线性屈曲模拟的稳定性，细节无需在此讨论，因为有限元法在现有的许多文献中都有提及。加筋铝板的屈曲/塑性破坏行为和极限强度运用Ansys软件进行分析，材料与几何形状的非线性均有所考虑。2.1用于分析的加筋板分析使用的加筋铝板的几何尺寸如表1所示，共有10种模型表1分析用加筋板的截面尺寸（单位：mm）加强筋帽型部分加强筋T型部分编号LBTtpB1B2H1t2H2B3t311500500311070803807032150050041258090390703315005005150100100410080441500500617511511051109055150050062001351205120110561500500722515013561351206715005008250170150715013078240080062001351205120110592400800722515013561351206102400800825017015071501307模型截面参考图2华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文5其中个尺寸的含义如下：BT：附连带板的宽度；t1：板厚；B1：Y形加强筋开口宽度；B2：加强筋帽形结构上部宽度；H1：加强筋帽形结构高度；t2：加强筋帽形结构板厚；H2：加强筋T形结构腹板高度；B3：加强筋T形结构翼板宽度；t3：加强筋T形结构板厚；2.2选取模型的区域如图3中abde所示的区域被用于分析带有对称的加强筋的加筋铝板的屈曲或塑形破坏，图3中abgh所示区域用于分析加强筋非对称的加筋铝板。华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文6图3连续的加筋板中选取的分析区域2.3材料性质材料的杨氏模量为70475MPa，其泊松比为0.3。原来的铝合金（AA6082-T6）和焊接铝合金（热影响区）的应力-应变关系如图4a所示，热影响区的范围如图4b所示。华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文7图4a材料的应力-应变关系图4b热影响区的范围2.4初始缺陷为了模拟Khedmati等人（2009年）提出的复杂的初始变形模式，一个专门的程序被引入了。简而言之，侧向压力首先被施加在加筋板上，然后进行线弹性有限元分析。这个分析进行一系列的重复计算，使得板的最大挠度达到公式1给出的值。满足这一条件后，节点坐标，单元坐标系以及边界条件会应用于另一个有限元网格划分。新的模型用于分析纵向平面压缩下的非线性响应。步骤如图5所示𝑤0𝑚𝑎𝑥=0.05𝛽2𝑡(1)β=𝑏𝑡√𝜎𝑌𝑝𝐸(2)华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文8图5施加初始变形的步骤2.5单元类型在Ansys提供的种类丰富的单元类型中，选择4节点SHELL43单元用于离散加筋板结构的模型。一般而言，2500到3000个单元被用于每个板格。图6显示了典型的加筋板的网格结构，其中深色的单元表示处于热影响区的部分。图6划分单元后的模型的典型示例2.6Aalberg的实验华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文9Aalberg等人（2001）对于总计21种加筋铝板进行了测试。实验中样品分为2组，一组有L形加强筋而另一组有帽形加强筋，均由AA6082-T6铝合金制成。每一组中加筋板的尺寸和边界条件均有不同。样品的端板均被加工成平面，以保证加载均匀。试验台的设计如图7所示。试验样品被置于垂直的位置，轴向压缩载荷通过一个刚性加载设置被施加在试样的上端，反作用力由下端的支撑套承受。测试前需要测定加筋板的初始缺陷。测试过程中，轴向载荷被缓慢，随后加筋板的变形位移得以测定。除了进行测试之外，Aalberg还运用EUROcode9进行了数值比较。Aalberg等人的试验样本中，模型P和O（封闭截面）用于验证目的，为了将数值分析的结果与Ansys软件的分析结果进行比较。加筋板尺寸，沿长边边界条件和初始缺陷如图8和表2所示.表2中初始缺陷的意义如图9所示。模型材料的参数如图10所示。图11a和图11b分别表示数值计算得到的模型O与模型P的破坏模型。同时，这两个模型的加载端的缩短曲线分别如图12和图13所示。相应的加载端缩短曲线表明，两个模型由Ansys计算出的极限强度较实验获得的低。对于型和O模型，Ansys得到的极限强度和实验结果分别有约5.23%和9.34%的偏差。基于Aalberg等人的数值分析，对于这两个模型而言，实验和数值方法得到的破坏模型有相似的特征。基于数值分析，型P和O分别有着弯曲屈曲加局部屈曲和单纯的弯曲屈曲的破坏模型。相似的破坏模型也在Aalber等人的文章中有提及。对于板O，从整体弯曲看发生了轴向力的骤减。对于板P，端板在原地弯曲，达到极限载荷后板的轴向力逐渐减小。华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文10图7测试设置及简支板试验台面板示意图图8挤压型材的横截面几何形状表2试样板的尺寸，细节及初始缺陷（所有单位均为mm）华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文11图9初始缺陷的确定图10板材料的应力-应变曲线华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文12图11在Ansys中验证的Aalberg实验中的失效模式（a）对应试样O，（b）对应试样P华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文13图12O模型的载荷-变形曲线图13P模型的载荷-变形曲线3.有限元分析的结果及讨论对加筋高强度铝合金板承受轴向载荷的后屈曲行为进行了研究，材料与几何形状的非线性均有所考虑。结果发现使用Y形加强筋增强铝合金板的抗弯刚度，将增强其极限强度。在不同的抗弯刚度下，会观察到不同的破坏模式。通常达到极限载荷之后的卸载发生在加筋板的华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文14某些区域。3.1结果部分有Y型加强筋的加筋板模型的平均应力-平均应力关系如图14所示，数值则参见表1的最后一栏。图15表示了模型2,4,6的破坏模式和变形情况。本文中仅列出了部分结果，接下来将对结果进行讨论。图14平均应力-平均应变关系华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文15图15模型2，4和6极限强度下破坏模式（左栏）和最后一步计算（右栏）的示意图3.2讨论从对有Y形加强筋的加筋板的研究结果看，板的极限强度随抗弯刚度提高而增加。我们也能看出，具有较低抗弯刚度的板在屈曲同时发生破坏。在这些模型中，随着抗弯刚度的增加破坏模式由屈曲变为准固支。有较高刚度的加筋板在载荷达到极限载荷前有着更高的强度。在两端产生塑形铰接是加筋板的破坏模式中共有的特征。破坏后的强度储备也是重要的。在计算的最后阶段，我们发现，当加筋板的某些部分发生卸载（应力消除）时，剩余部分的局部塑形变形仍在积累。我们可以在图15的模型4和模型6中看到这种现象。4.结论华中科技大学本科生毕业设计（论文）参考文献译文16对加筋高强度铝合金板承受轴向载荷的后屈曲行为进行了研究，材料与几何形状的非线性均有所考虑。结果发现使用Y形加强筋增强铝合金板的抗弯刚度，将增强其极限强度。在不同的抗弯刚度下，会观察到不同的破坏模式。通常达到极限载荷之后的卸载发生在加筋板的某些区域。参考文献[1]Aalberg,A.,Langseth,M.&Larsen,P.K.2001.Stiffenedaluminiumpanelssubjectedtoaxialcompression.ThinWalledStructure39(10):861–885[2]Aalberg,A.,Langseth,M.&Malo,K.A.1998.Ultimatestrengthofstiffenedaluminiumplates.DepartmentofStructuralEngineering,NorwegianUniversityofScienceandTechnology[3]ANSYSuser’smanual(Version7.1).Houston,SwansonAnalysisSystemsInc.