铝合金悬挂式整体壁板板格的极限强度计算方法研究

2019-03-06张雨寒陈海涛吴剑国

船舶 2019年1期

张平张雨寒陈海涛吴剑国

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011；2.浙江工业大学杭州320012）

引言

伴随着铝合金整体壁板工艺的成熟，国外气垫船结构设计中已越来越多采用铝合金整体壁板和悬挂式骨架系统。所谓整体壁板是指一种带有加强筋的整体挤压或搅拌摩擦焊（FSW）成型的板材，而悬挂式结构是指桁材搁置并焊接在整体壁板加强筋上，并不直接与船体外板焊接［1］，如下页图1所示。

图1 悬挂式整体壁板

然而，目前国内外高速船结构设计计算方法［2-3］中，主要还是针对铝质普通加筋板的结构屈曲规定，对这种因横梁悬挂使对板的约束减小的新颖结构形式，缺乏相应的规范支撑，国内外学术界在此方面的研究也很有限。

本文采用非线性有限元方法，对30多个这类狭长型铝合金板的压溃破坏时的极限强度进行计算和多本规范的对比，遴选出最适宜这类铝合金板格的极限强度的计算方法。

1 有限元模型

1.1 单元类型与网格划分

铝合金板格短边宽度取加强材间距，因悬挂的原因长边并没有确定的边界，依照薄板屈曲理论，偏保守地取10倍的短边长度。单元采用4结点平面应力单元，网格划分为短边方向约20个单元，长边方向按单元形状应接近正方形确定单元数。

1.2 边界条件

为保持板格边界在受载时保持直边，特设立如图2和表1所示边界条件。

图2 边界条件

1.3 载荷及缺陷

板格平面内的压力通过节点力施加，在角点C2施加短边上的压应力，在角点C4施加长边上的压应力。

表1 主要边界条件

式中：σx和σy为板格的长边以及短边边界处的平均应力，MPa；Fx和Fy为板格的长边以及短边所受载荷，N；l为长边边长，mm；s为短边的边长，mm；t为板的厚度，mm。

板格平面内的剪力通过节点力施加。由于边长不同，板格长、宽方向的节点个数将不同，因此施加的节点力也将不同。这些荷载必须分别进行计算：

有限元模型以板格的第一阶整体屈曲模态作为板的初始缺陷的形状，初始缺陷最大值参照钢板的最大允许变形，取s/200，s为短边的边长，mm。

2 有限元模型计算

模型材料选用ENAW-3103铝合金，弹性模量为69 000 MPa，最小屈服强度为145 MPa。采用ABAQUS软件，分别对三种载荷下的板格极限承载能力进行了非线性计算。

2.1 短边受力

如前所述，针对宽200 mm、长2 000 mm、不同厚度的铝合金板格，短边受压时的极限状态变形如图3所示。可见，板的边界保持了直边，板格出现多个半波的失稳，并在波峰和波谷处应力出现峰值。不同厚度下的有限元极限应力以及《钢质海船入级规范》第9篇“油船和散货船共同结构规范”（下文简称“CSR”）［4］、《船舶设计实用手册》（下文简称“设计手册”）［5］、《海上高速船入级与建造规范》（下文简称“高速船规范）［2］的对比如表2所示；而后，将其绘制成如下页图4所示曲线。

图3 短边均布受压的极限状态变形图

表2 200 mm×2 000 mm铝合金板短边均布受压的极限应力及比值

通过对比可知，当板厚在3 mm左右时，根据“CSR”方法所得结果比本有限元计算的结果稍大，而根据“高速船规范”与“设计手册”所得的临界应力与本有限元结果较接近且偏安全，故更合适。对于常见的3 mm厚铝合金板，根据“高速船规范”所得结果与本有限元结果相比，偏小约20%。

2.2 长边受力

图4 200 mm×2 000 mm短边受力下的极限应力

取宽200 mm、长2 000 mm的铝合金板，长边受压时极限状态下变形如图5所示。可见，板的边界保持了直边，板格出现一个半波的失稳，并在波峰处应力出现峰值。在不同厚度下的极限应力与规范以及设计手册的对比如表3所示。

图5 长边均布受压的极限状态变形图

表3 200 mm×2 000 mm铝合金板长边均布受力极限应力及对比

将其绘制成曲线如图6所示。

图6 200 mm×2 000 mm长边受力下的极限应力

通过对比可知：当板厚度较小时，“高速船规范”所得应力偏小，之后增幅很大；当长宽比较大时，所得应力远大于本有限元结果。当板比较薄时，“高速船规范”以及“设计手册”结果与本有限元结果相比偏小；当厚度为3 mm时，极限应力为本有限元结果的60%。

2.3 剪切受力

由于CCS“高速船规范中”缺乏对剪切的规定，故将本有限元结果同“CSR”和“设计手册”的结果进行对比，取宽200 mm、长2 000 mm的铝合金板，剪切受力时极限状态的变形如图7所示。可见，板的边界保持了直边，板格出现多个剪切失稳的波形，并在波峰和波谷处应力出现峰值。在不同厚度下的极限应力及不同方法的对比如表4所示。