王 健，彭 飛，牟金磊，閔少松

(海軍工程大學(xué) 艦船與海洋學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

裂紋損傷作為船體結(jié)構(gòu)的典型損傷形式之一，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降，嚴(yán)重危害艦船的安全性能。如果結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展到一定程度，將導(dǎo)致艦船結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞[1]，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各種金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)的斷裂事故中，有80%源于疲勞斷裂[2]。所以裂紋損傷的監(jiān)測(cè)與識(shí)別工作對(duì)于保障艦船的可靠性、安全性尤為重要。

隨著艦船結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別需求越來(lái)越迫切。對(duì)于裂紋損傷識(shí)別的研究在橋梁等領(lǐng)域較為成熟，但對(duì)于艦船結(jié)構(gòu)的裂紋損傷識(shí)別功能還有待進(jìn)一步研究。

目前，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法[3]主要可以分為：靜力參數(shù)識(shí)別方法，動(dòng)力參數(shù)識(shí)別方法，智能方法。其中多以振型，頻率，模態(tài)曲率，能量傳遞比等作為識(shí)別參數(shù)。但由于噪聲、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性等因素的影響，使得實(shí)際的工程應(yīng)用較少[4]。而其中以應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)作為特征參數(shù)，具有對(duì)于結(jié)構(gòu)局部特征變化敏感的特點(diǎn)[5]。

本文應(yīng)用大型有限元分析軟件，對(duì)含有初始裂紋的船體典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，以應(yīng)力響應(yīng)作為特征參數(shù)，開(kāi)展不同長(zhǎng)度、位置的穿透裂紋對(duì)典型船體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律研究，為裂紋的損傷識(shí)別提供依據(jù)。

1 計(jì)算模型

對(duì)于連續(xù)船體結(jié)構(gòu)，船體板一般由骨架進(jìn)行加強(qiáng)[6]。本文以加筋鋼板為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖1所示。其中，相關(guān)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 加筋板模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of stiffened plate

表1 模型尺寸參數(shù)Tab.1 The parameters of model

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代艦船大多采用厚度較小的高強(qiáng)度鋼，其中穿透裂紋較為常見(jiàn)。本文主要分析含有垂直于加筋板的中心穿透裂紋以及垂直于加筋板的邊緣穿透裂紋2種模型，來(lái)確定不同裂紋尺寸、位置與加筋板的應(yīng)力響應(yīng)之間的規(guī)律。

2 仿真模型及計(jì)算

隨著有限元分析軟件的不斷發(fā)展，對(duì)于裂紋的仿真水平日益提高，為裂紋的研究分析提供了基本的技術(shù)保障。本文使用大型有限元仿真分析軟件，結(jié)合艦船實(shí)際，對(duì)艦船典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。

其中，以十字加筋板為研究對(duì)象，賦予有限元模型相關(guān)材料屬性，取楊氏模量E=210 GPa，泊松比γ=0.3。無(wú)裂紋完整加筋板與含裂紋損傷的加筋板有限元模型如圖2和圖3所示。

對(duì)模型進(jìn)行加載，綜合分析，假設(shè)模型受到軸向拉應(yīng)力P。而本文只考慮應(yīng)力場(chǎng)沿船長(zhǎng)方向的單向應(yīng)力狀態(tài)，所以設(shè)定垂直裂紋的2條邊界為自由邊界，不作約束。

考慮到結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，或疲勞引起損傷等情況，結(jié)合船體典型結(jié)構(gòu)的實(shí)際，本文分別就存在不同位置裂紋的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。設(shè)裂紋長(zhǎng)度為B/20，由于模型對(duì)稱的原因，只需計(jì)算模型一半即可。設(shè)裂紋分別位于板的不同位置，計(jì)算對(duì)應(yīng)工況的應(yīng)力分布情況。

圖2 無(wú)裂紋完整模型Fig.2 Complete model without cracks

圖3 含裂紋模型Fig.3 Model with crack

設(shè)板的一角為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿板寬方向?yàn)閄軸，板長(zhǎng)方向?yàn)閅軸，如圖4所示。以裂紋中心確定裂紋的相對(duì)位置，則仿真計(jì)算工況如表2所示。

圖4 坐標(biāo)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of coordinate system

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation of working conditions

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本文通過(guò)有限元分析軟件針對(duì)表2中的計(jì)算工況，對(duì)典型船體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到含有不同位置裂紋時(shí)的應(yīng)力分布情況。

圖5為工況1、工況4、工況7的應(yīng)力分布云圖。根據(jù)云圖可知，在裂紋附近，應(yīng)力沿縱向、橫向分別呈馬鞍狀分布，遠(yuǎn)離裂紋部位應(yīng)力變化不大。

圖5 工況1、工況4、工況7的應(yīng)力分布情況圖Fig.5 The distribution of stress in working condition 1, 4, 7

用矩形網(wǎng)格將加筋板平均分開(kāi)，沿預(yù)先設(shè)定好的6條路徑，取各節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，圖6為節(jié)點(diǎn)示意圖。

通過(guò)仿真結(jié)果分析含邊裂紋、中心裂紋的十字加筋板中裂紋與應(yīng)力之間的規(guī)律。

設(shè)不含裂紋的完整加筋板在同等條件下，應(yīng)力值為σ0，含有裂紋的仿真應(yīng)力值為σ1，則裂紋引起的應(yīng)力改變情況，可以通過(guò)應(yīng)力改變值Δ反映。加筋板各工況應(yīng)力變化情況如圖7所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the nodes

根據(jù)圖7結(jié)果分析可知，裂紋附近產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)生突變，沿單向力方向（縱向），由裂紋向兩端，應(yīng)力值先增大再減小，呈馬鞍狀分布。沿垂直于單向力的方向（橫向），距離裂紋越遠(yuǎn)，突變幅值越小，但突變范圍變大。對(duì)于整體來(lái)說(shuō)，超出一定范圍，加筋板應(yīng)力水平基本保持不變。

當(dāng)保持裂紋橫向位置不變，只改變裂紋縱向位置時(shí)，例如工況1～工況3。裂紋周圍應(yīng)力分布情況基本保持一致，不因縱向位置的改變而發(fā)生明顯改變。

當(dāng)保持裂紋縱向位置不變，改變其橫向位置時(shí)，例如工況1、工況4、工況7所示。裂紋越靠近邊界，突變程度越大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用大型有限元分析軟件，對(duì)艦船典型船體結(jié)構(gòu)—十字加筋板進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。在保證其他參數(shù)一致時(shí)，改變裂紋位置，計(jì)算得到9種工況下模型的應(yīng)力分布情況。通過(guò)對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）本文通過(guò)有限元仿真計(jì)算，模擬船體典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)情況，通過(guò)分析對(duì)比，在一定范圍內(nèi)，應(yīng)力響應(yīng)能很好地反映裂紋情況，作為裂紋損傷識(shí)別的參數(shù)有實(shí)際意義；

2）在裂紋產(chǎn)生位置，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生突變，在一定范圍內(nèi)呈鞍狀分布，超出范圍，應(yīng)力變化水平較??；

3）沿單向拉力的受力方向，裂紋位置的改變對(duì)應(yīng)力分布情況的影響較弱；

4）應(yīng)力響應(yīng)隨著裂紋位置在垂直于拉力方向的改變而變化，越靠近邊界，變化越劇烈，危害越大。

本文研究了不同位置裂紋對(duì)于艦船典型船體結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，為裂紋損傷識(shí)別的特征參數(shù)選取以及識(shí)別準(zhǔn)則等提供依據(jù)。

圖7 應(yīng)力變化分布結(jié)果圖Fig.7 Results of distribution of stress variation