大尺度板架轴向压载荷实验加载系统仿真研究.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-02-05 基金项目:工信部高技术船舶科研项目（MC-202002-C01-02）作者简介:游瑞章（1997），男，福建龙岩，硕士研究生，主要研究方向为结构数值仿真与试验研究，。通信作者:严仁军（1962），男，湖北随州，博士，教授，主要研究方向为结构数值仿真与试验研究，yan_。引文格式:游瑞章，严仁军，邱屿，等.大尺度板架轴向压载荷实验加载系统仿真研究J.实验技术与管理,2023,40(6):109-114.Cite this article:YOU R Z,YAN R J,QIU Y,et al.Simulation study of experimental loading system for large scale plate frame axial compression loadJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):109-114.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.017 虚拟仿真技术 大尺度板架轴向压载荷实验加载系统仿真研究 游瑞章1,2，严仁军1,2，邱 屿1,2，郭荣骄1,2（1.武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学 高性能舰船技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430063）摘 要：为寻求轴向均布压载荷单独作用与表面载荷联合作用下大尺度板架轴向压载荷实验的最佳加载系统，以及研究加载系统与板架结构的相互作用关系，模拟搭接与焊接的 2 种板架与工装连接形式、单/双 2 种作动器数量和 6 种作动器基座尺寸，建立计算模型，并与理想轴向均布压载荷模型在结构响应、失效模式以及板架与工装的相互作用方面进行比较分析，揭示了大尺度板架模型结构响应随作动器基座尺寸的变化规律，发现针对所研究的板架结构，采用双动器 400 mm400 mm 基座尺寸的搭接连接形式与理想状态的结构响应最为接近，各工况下失效模式一致，应力响应差异在4.11%2.69%之间，x 轴位移响应差异在 1.32%1.64%，z 轴位移响应差异在2.49%25.18%，极限承载力差异在2.17%0.69%。关键词：板架结构；工装连接形式；作动器基座尺寸；实验加载系统；仿真研究 中图分类号：U663.6 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0109-06 Simulation study of experimental loading system for large scale plate frame axial compression load YOU Ruizhang1,2,YAN Renjun1,2,QIU Yu1,2,GUO Rongjiao1,2(1.Departments of Naval Architecture Ocean and Energy Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;2.Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:In order to find the optimal loading system for large scale plate frame under the combined action of axial uniform pressure load alone and surface load,and to study the interaction relationship between loading system and plate frame structure,this paper simulates two types of plate frame and tooling connection forms of lap joint and welding,two types of single/dual actuator numbers,six types of actuator base sizes,establishes the computational model,and compares with the ideal axial uniform pressure load model in terms of structural response,failure mode and interaction between plate frame and tooling.It is found that for the studied plate frame structure,the lap joint connection with 400 mm400 mm base size of double actuator is the closest to the ideal structural response,and the failure mode is the same under all working conditions,and the difference of stress response is between 2.69%4.11%.x-axis displacement response difference between 1.32%1.64%,z-axis displacement response difference between 2.49%25.18%,and ultimate load capacity difference between 2.17%0.69%.Key words:plate frame structure;tooling connection form;actuator base size;experimental loading system;simulation study 110 实 验 技 术 与 管 理 随着船舶工业的快速发展，以及结构分析和设计技术的不断进步，船体结构设计和材料的使用都更加经济合理。然而，船体结构在承受复杂环境作用下的最终强度以及失效模式问题日益突出，正确评估船体结构的极限强度和结构响应不仅对初步设计有重要作用，而且对操纵、维护、维修等都具有重要意义1-4。板架模型试验是计算结构承载能力与结构响应的重要方法5-8，国内外实验室大多数采用 MTS 作动器或者其他类型的液压设备对模型进行加载，试验力通过作动器基座以及工装模拟均布载荷传输到板架结构上。shanmugam 等9通过 MTS 作动器以及气囊工装实现板架结构表面均布载荷的施加，对轴向压载荷与表面载荷联合作用下板架结构的极限承载力开展研究；王佳颖等10通过液压设备以及工装实现均布线载荷的施加，通过四点弯曲试验对纵向箱型梁舱段板架结构极限强度开展研究；吴卫国等11通过多个液压油泵分布排列实现均布轴向压载荷的施加，对具有大开口甲板板架结构的稳定性问题开展研究。虽然许多国内外学者采用 MTS 作动器等液压设备模拟均布载荷对板架结构开展了试验研究，但目前未曾见到有关于作动器和工装与板架之间相互作用关系的研究成果。MTS 系统公司所提供的标准作动器基座尺寸范围为 85.9 mm83.6 mm 到 558.8 mm 558.8 mm12，而随着船体的增大，船体结构所采用的标准板架结构尺寸，从几米跨越至十几米13-15。在大尺度板架结构模型试验阶段，由于板架结构模型与作动器基座尺寸存在较大的差异，随着加载板架结构与加载系统会发生相互作用，其力学响应也会随之发生变化，因此采用合适的加载系统模拟实际工况载荷是实验准确的关键。本文对某 2 400 mm2 500 mm 的大尺度板架在轴向均布压载荷单独作用与表面载荷联合作用下的加载系统开展研究，通过有限元软件进行数值计算，研究搭接与焊接 2 种板架与工装连接形式，单/双作动器 2种作动器数量以及 300 mm300 mm，400 mm 400 mm，800 mm800 mm 共 6 种作动器基座尺寸，对板架结构失效模式和结构响应的影响，为指导大尺度板架结构试验提供依据。1 数值模型 1.1 计算模型建立 本文对大尺度板架结构开展轴向压载荷与表面载荷联合作用下的极限强度试样，试件材料采用 Q235A钢，板架宽度方向取 4 个纵桁间距，共 2 500 mm，长度均为2 400 mm，板厚均为12 mm，纵骨间距125 mm，纵骨尺寸 37.5 mm12 mm，纵桁尺寸 90 mm70 mm 12 mm，肋骨间距 600 mm，肋骨尺寸 102 mm12 mm，板架两端焊接 190 mm150 mm 带肋空心方柱，空心尺寸 65 mm100 mm，肋间距 625 mm，肋宽 50 mm，如图 1 所示。图 1 板架结构模型 板架模型采用壳单元，选择四结点线性缩减积分单元 S4R 模拟。对板架模型进行网格收敛性分析，由于纵骨高度为 37.5 mm，故初始网格大小取为 30 mm，并将网格尺寸依次减半，分析得到 30 mm 和 15 mm的结果差值为 1.08%，15 mm 和 7.5 mm 的结果差值为0.18%，且三种网格模型的位移-力曲线变形趋势一致，因此为节约计算成本，板架模型网格尺寸取为 15 mm。如图 2 所示，工装由约束端和加载端两部分组成，约束端工装设置固定约束，加载端工装保留加载方向的位移，约束其他方向的位移与转角，并施加轴向压载荷。工装模型采用体单元，选择八结点线性缩减积分单元 C3D8R 模拟，网格整体尺寸取 25 mm，与板架搭接部位取 15 mm。注：1-固定端工装；2-板架模型；3-加载端工装。图 2 加载系统计算模型 1.2 工况设置与模型材料属性 设置轴向压载荷单独作用与0.004 MPa表面载荷联合作用的两种载荷工况，对板架加载系统进行仿真研究。工装材料属性采用理想弹塑性模拟材料的本构关系，设计刚性与弹性两种材料属性，经过比对发现弹性材料在结构响应方面更接近理想状态，因此选用弹性的材料属性作为工装属性，各材料的属性见表 1。游瑞章，等：大尺度板架轴向压载荷实验加载系统仿真研究 111 表 1 模型材料属性 模型名称 弹性模量/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 密度/(gcm3)板架模型 210 0.3 300 7.85 刚性工装 21 000 0.3 345 7.85 弹性工装 210 0.3 345 7.85 2 连接形式的影响 基于图 2 所示加载系统计算模型进行板架与工装连接形式的研究，模拟搭接与焊接两种连接形式，建立接触与绑定两种表面作用，其中搭接连接形式采用法向为刚性接触，切向为摩擦系数 0.2 的摩擦接触16。加载工装加载面施加全尺寸轴向均布压 载荷。图 35 分别为 2 种不同连接形式与理想状态模型，在 900 与 9 000 kN 轴向压载荷和是否考虑表面载荷联合作用工况下的应力最大值、x 轴位移最大值、z轴位移最大值比对曲线，图 6 为不同连接形式模型的极限承载力比对图。从图 36 中可以看出，在应力和 x 轴位移最大值响应方面，焊接连接形式仿真效果优于搭接连接形式，应力响应的差异在4.85%3.01%，x 轴位移响应的差异在0.64%2.2%。在极限承载力 z 轴位移响应方面，当无表面载荷时，搭接连接形式优于焊接连接形式，搭接连接形式的最大差异为19.81%，焊接连接形式的最大差异为41.9%；当表面载荷与轴向压载荷联合作用时，焊接连接形式仿真效果优于搭接连接形式，焊接连接形式的最大差异值为 1.38%，搭接连接形式的最大差异值为17.92%。图 3 连接形式模型应力最大值比对曲线 图 4 连接形式模型 x 轴位移最大值比对曲线 图 5 连接形式模型 z 轴位移最大值比对曲线 图 6 连接形式模型极限承载力比对图 3 作动器方案的影响 基于搭接连接形式计算模式建立单/双作动器加载和 300 mm300 mm 至 800 mm800 mm 矩形作动器基座尺寸的 12 种作动器方案模型。单作动器布置在加载工装加载面中心处，双作动器均匀分布于加载工装加载面。3.1 失效模式计算结果 图 7 为作动器基座尺寸为 300 mm300 mm 的单/双作动器与理想状态模型在结构失效时的应力分布图。从图中可以看出双作动器方案的失效模式与理想状态相近，而单作动器方案与理想状态完全不符合。当无表面载荷时，单作动器方案失效位置分布于板架中心轴线至两侧肋骨处，而双作动器方案和理想状态的失效位置主要集中在板架面四端和肋骨上；当表面载荷与轴向压载荷联合作用时，单作动器方案失效位置分布较为均匀，而双作动器方案和理想状态主要分布在板架面边缘中段与肋骨上。112 实 验 技 术 与 管 理 图 7 不同作动器方案板架结构失效应力分布图（单位：MPa）3.2 结构响应计算结果 图 813 为 2 种作动器数量、6 种作动器基座尺寸方案与理想状态模型，在 900 与 9 000 kN 轴向压载荷和是否考虑表面载荷联合作用工况下的应力最大值、x 轴位移最大值、z 轴位移最大值比对曲线。图 14和 15 为不同工况下单/双作动器方案的极限承载力比对图。从图 815 中可以看出不同载荷条件下，板架结构响应随作动器基座尺寸的变化趋势基本一致。单作动器作用时，板架结构响应随作动器基座尺寸增大而增大，当基座尺寸大于 600 mm 时开始下降；双作 图 8 单作动器-应力最大值比对曲线 图 9 双作动器-应力最大值比对曲线 图 10 单作动器 x 轴位移最大值比对曲线 图 11 双作动器 x 轴位移最大值比对曲线 游瑞章，等：大尺度板架轴向压载荷实验加载系统仿真研究 113 图 12 单作动器 z 轴位移最大值比对曲线 图 13 双作动器 z 轴位移最大值比对曲线 图 14 单作动器-极限承载力比对图 图 15 双作动器-极限承载力比对图 动器作用时，板架结构响应在基座尺寸 300400 mm时急速下降，后趋于平稳。比较各加载方案结构响应与理想状态的差异，可以得出，双作动器400 mm 400 mm基座尺寸仿真值与理想状态最为接近，各工况下应力响应差异在4.11%2.69%，x 轴位移响应差异在1.32%1.64%，z 轴位移响应差异在 2.49%25.18%，极限承载力差异在2.17%0.69%。3.3 板架与工装相互作用计算结果 取各板架模型加载端中心点与工装加载点的 x 轴位移差值与轴向压载荷作用力绘制成轴向压载荷-位移差值曲线。如图 16 和 17 所示，板架模型与工装的位移差与轴向压载荷呈线性关系，曲线斜率随着作动器基座尺寸的增大而减小，表面载荷的联合作用对位移差没有影响，双作动器的曲线斜率比单作动器的 斜率小，且位移差数值也更小，单作动器方案的位移差 在 0.360.82 mm，双 作 动 器 方 案 的 位 移 差 在0.290.43 mm。如图 18 所示，采用搭接连接形式时，板架模型与加载端工装模型共有 3 个接触面。从图中可以发现 XY平面上的两个接触面主要位于工装卡槽加强处，而且大部分区域处于未接触状态；而 YZ 接触面主要接触区域为上下与 XY 接触面靠近的部分，在平面中间段呈现以板架结构肋骨为接触点的三点接触的现象。将各作动器方案在 9 000 kN 轴向压作用下，板架模型与 图 16 单作动器-轴向压载荷-位移差值曲线 图 17 双作动器-轴向压载荷-位移差值曲线 114 实 验 技 术 与 管 理 图 18 模型连接处变形与压载荷分布图（单位：MPa）（变形放大 200 倍）加载工装接触面缝隙间距沿板架宽度的变化绘制成图 19和 20。从图中可以发现，表面载荷的作用对接触面缝隙间距没有影响，各作动器方案均在接触面中线上呈现以板架结构肋骨位置为接触点的三点接触现象。图 19 单作动器-缝隙间距沿板架宽度分布曲线 图 20 双作动器-缝隙间距沿板架宽度分布曲线 4 结语 为研究轴向压载荷单独作用与表面载荷联合作用下大尺度板架的最佳加载系统，本文通过模拟搭接与焊接 2 种板架与工装连接形式、2 种作动器数量、6种作动器基座尺寸，建立计算模型，并与理想均布轴向压载荷模型在板架结构响应、失效模式、与工装的相互作用等方面进行比较分析得到以下结论：（1）单作动器方案下，板架结构应力和位移响应随作动器尺寸的增大呈现先增后降的现象，而极限承载力呈现先降后增的现象；双作动器方案下，板架结构响应呈现在基座尺寸 300400 mm 时急速下降，后趋于平稳的现象。（2）采用搭接方案时，板架与工装之间各个接触面并非全接触，而呈现在 YZ 平面中轴线以板架结构肋骨为接触点的三点接触现象，在 XY 平面呈现以工装加强点为接触点的多点接触现象。（3）对于板架与工装连接方案的选择，轴向压载荷单独作用时，采用搭接连接的效果更接近理想状态；轴向压载荷与表面载荷联合作用时，采用焊接连接的效果更接近理想状态。（4）对于作动器方案的选择，单作动器方案的失效模式与理想均布压载荷失效模式差异显著，不适用模拟理想均布压载荷。双动器 400 mm400 mm 基座尺寸仿真值与理想状态最为接近，各工况下应力响应差异在4.11%2.69%，x 轴位移响应差异在 1.32%1.64%，z 轴位移响应差异在 2.49%25.18%，极限承载力差异在2.17%0.69%。参考文献(References)1 张亦龙，岳亚霖，韦朋余，等.端面转角对板架结构极限强度的影响研究J.船舶力学，2018,22(4):475481.2 罗晨，闫发锁，王璞，等.海洋平台板架结构简化评估对比研究J.海洋通报，2022,41(3):336341.3 刘虓.船舶结构力学M.广州：华南理工大学出版社，2010.4 缪素菲，刘敬喜，赵耀，等.船用铝合金板架结构典型节点的疲劳试验研究J.船舶力学，2020,24(7):934941.5 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