1.背景介紹

大量船舶海損事故表明，船體結(jié)構(gòu)的破壞通常是由于結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定性，因此對于受壓或受剪切力較大的板，必須重視其穩(wěn)定性。舷側(cè)列板是抗剪的主要構(gòu)件，必須滿足抗剪穩(wěn)定性要求。

隨著客船、郵輪等船舶容積、上層建筑尺度的不斷加大，舷側(cè)結(jié)構(gòu)的開孔數(shù)量、尺寸對應(yīng)增加，大型船舶舷側(cè)開孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性問題日益凸顯，因此研究船體板開孔結(jié)構(gòu)的屈曲特性對保證船舶安全十分重要。

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital image correlation, DIC）技術(shù)在結(jié)構(gòu)力學(xué)測試中受到較多關(guān)注。新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)基于自主研發(fā)的DIC算法框架，對船體板開孔結(jié)構(gòu)的屈曲特性進行測試，結(jié)果表明DIC技術(shù)在工程應(yīng)用中的測試精度有保證，且得到了理想的實測結(jié)果。

2.研究內(nèi)容

有限元仿真可以避免屈曲分析繁瑣的計算過程，但其精度局限于模型、邊界條件的設(shè)計情況，需要有效的力學(xué)試驗進行佐證。某大學(xué)輪機工程學(xué)院科研團隊采用DIC技術(shù)力學(xué)試驗結(jié)合數(shù)值仿真方法，重點研究不同開孔形式薄板在面內(nèi)剪切載荷工況下的屈曲特性。

采用對角拉伸的方式對方形開孔薄板進行剪切穩(wěn)定性試驗，同時輔助新拓三維XTDIC 3D全場變形測量系統(tǒng)獲取開孔板的實時法向變形形貌，通過力學(xué)試驗和數(shù)值仿真的對比分析來驗證數(shù)值方法的有效性，重點剖析方形薄板開孔后的剪切屈曲行為，以及關(guān)聯(lián)不同開孔形式的力學(xué)響應(yīng)特征，以此為船體開孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究乃至大型船舶規(guī)范的改進完善提供有益參考。

船體舷側(cè)開孔板及剪切工況示意圖

剪切試驗在電子萬能試驗機上進行，為準(zhǔn)確測量試驗件表面的變形情況，試驗過程中應(yīng)用新拓三維XTDIC三維全場變形測量系統(tǒng)，基于DIC技術(shù)測量力學(xué)特性，并預(yù)先在試驗件表面進行了底漆涂覆和散斑制作，從而可以實時測量試驗件表面位移場和應(yīng)變場的變化情況。在試驗件正前方特定位置，布置了DIC測量設(shè)備。

船用開孔板剪切屈曲DIC測試試驗（以圓孔板為例）

3、結(jié)果對比與分析

力-伸長率關(guān)系

圓孔方板的拉力和伸長率曲線如下圖所示。其中：P為試驗機所提供的拉力；γ為試樣上下對角點的伸長率。由圖中可見，圓孔板的仿真結(jié)果和試驗值吻合較好。

當(dāng)載荷增至 C 點 (P≈22.94 kN)，如圖所示圓孔邊緣水平對角線上的點 4、8 產(chǎn)生塑性變形；之后曲線變化相對和緩，曲線斜率持續(xù)減小，結(jié)構(gòu)剛度也隨之逐漸減小。

圓孔板的力和伸長率曲線

倒圓角方孔板的拉力和伸長率曲線如圖所示，方孔板的力學(xué)曲線與圓孔板較為相似，其仿真結(jié)果與試驗值的吻合度也較好。

當(dāng)載荷增至 C 點 (P≈17.21kN)，如圖所示

方孔邊緣水平對角線上的點 4、8 產(chǎn)生塑性變形；之后曲線變化相對和緩，曲線斜率持續(xù)減小，結(jié)構(gòu)剛度也隨之逐漸減小。

倒圓角方孔板的力和伸長率曲線

開孔面積等效的情況下，圓孔板的臨界屈曲載荷略大于倒圓角方孔板。方孔板的后屈曲承載能力一定程度上弱于圓孔板，如下表所示。由表可見，若要獲得相同的伸長率，ΔT 在 5.90%~7.30%之間，對應(yīng)的 ΔS在 5.34%~7.45% 之間。

拉伸載荷結(jié)果對比

注：γ 為試樣上下對角點的伸長率；PCT、PST 為圓孔板、方孔板所受拉力的試驗值；PCS、PSS 為二者所受拉力的仿真值；ΔT、ΔS 為試驗、仿真所得的圓孔板較方孔板所受拉力增加的百分比。

典型時刻的全場位移分析

為進一步驗證有限元結(jié)果的有效性，基于力學(xué)曲線中 A、B、C 三個關(guān)鍵點，并隨機選取 40 kN、70 kN(D、E) 這 2 個點，針對開孔板在上述 5 個點（每個點對應(yīng)一個時刻）的全場位移進行對比分析?；谛峦厝SDIC全場變形測量系統(tǒng)，提取剪切試驗過程中圓孔板和方孔板在 A、B、C、D、E 這 5 個典型時刻的全場位移信息，并分別與其各自的數(shù)值仿真結(jié)果進行對比，如下所示。

圓孔板典型時刻全場法向位移云圖

倒圓角方孔板典型時刻全場法向位移云圖

臨界屈曲載荷分析

為獲得較為準(zhǔn)確的屈曲失穩(wěn)載荷，在板垂直對角線的正、反面設(shè)計 6 個關(guān)鍵點，并提取對應(yīng)的應(yīng)變-載荷曲線。

應(yīng)變-載荷曲線 方板孔邊應(yīng)力分布

臨界屈曲載荷結(jié)果對比

4、研究結(jié)論

基于DIC技術(shù)力學(xué)試驗和數(shù)值仿真研究了船用薄板的面內(nèi)剪切穩(wěn)定性，探究了開圓孔和倒圓角方孔的方形金屬薄板的屈曲、后屈曲行為，獲得了載荷伸長率曲線、載荷-應(yīng)變曲線、臨界屈曲載荷以及板面全場變形等力學(xué)響應(yīng)特征。通過對比數(shù)值仿真結(jié)果和剪切試驗，得出如下結(jié)論：

（1）通過 Abaqus 軟件對包含畫框夾具的開孔薄板進行線性和非線性的屈曲分析，經(jīng)有限元計算得到臨界屈曲載荷、全場位移、應(yīng)變等結(jié)果，且與 DIC 全場變形測量系統(tǒng)的檢測結(jié)果吻合較好，證明了數(shù)值仿真方法的有效性、準(zhǔn)確性。

（2） 關(guān)于臨界屈曲載荷，非線性屈曲分析方法彌補了線性屈曲分析的不足，提升了結(jié)果精度，獲得的臨界屈曲載荷更接近試驗結(jié)果。

（3）開孔面積等效的前提下，圓孔板和倒圓角方孔板的力學(xué)行為比較相似，兩者臨界屈曲載荷差異不大，后屈曲階段圓孔板承載能力較方孔板強。開孔導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不連續(xù)并在孔邊緣與水平、垂直對角線的交點上產(chǎn)生應(yīng)力突變，倒圓角方孔板的應(yīng)力集中現(xiàn)象較圓孔板更為明顯。

5.應(yīng)用總結(jié)

基于 Abaqus 對不同形式的開孔板進行數(shù)值仿真，通過新拓三維XTDIC三全場應(yīng)變測量系統(tǒng)試驗結(jié)果與數(shù)值仿真的對比，DIC技術(shù)可有效驗證數(shù)值仿真方法的有效性、準(zhǔn)確性。新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)基于數(shù)字圖像相關(guān)法（dic），在材料力學(xué)、沖擊力學(xué)、振動力學(xué)、疲勞力學(xué)、軌跡追蹤等研究領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗和大量的案例，歡迎咨詢?。ㄎ恼抡裕杭来髮W(xué)輪機工程學(xué)院，朱兆一，李曉文，蔡應(yīng)強，陳清林，彭苗嬌，熊云峰《船體開孔薄板面內(nèi)剪切屈曲特性研究》）。