舰船用高强钢的船体板架结构冲击性能试验及仿真研究
摘 要摘 要本文主要围绕舰船用高强钢的船体板架结构冲击性能开展研究，通过单轴准静态拉伸试验、组合材料关系获得仿真计算所需材料应力-应变关系，再结合Cowper-Symonds应变率强化模型给出材料不同应变率下的应力-应变关系，详细分析计及应变率影响的材料力学特性。静态拉伸仿真计算中，开展不同网格下失效应变校准研究。开展落锤冲击试验研究板架结构在动态载荷下的损伤变形情况，给出碰撞力-撞深关系，并与其仿真计算进行比较，得到较好一致性，对试验结果进一步验证，主要结论如下：开展准静态拉伸试验，获得工程应力-应变关系，经由组合材料关系得到仿真计算所需材料属性。控制网格单元大小并调整失效应变值进行多次仿真计算，对比试验与仿真结果，选择最佳拟合数据，进而得到不同网格密度下单元的最大失效应变值，并绘制失效应变-网格关系曲线。采用Cowper-Symonds应变率强化模型，并结合组合材料关系得到不同应变率下材料应力-应变关系，为落锤冲击试验数值仿真材料属性输入奠定基础。材料应变率越高，应力越大，应变减小。开展落锤冲击试验并进行数值仿真，使用合理网格尺寸下的等效塑性失效应变值输入，获得数值仿真下碰撞力-撞深关系与试验得到关系比对拟合较好，从而验证本文仿真计算研究的可靠性和准确性。关键词：准静态拉伸；数值仿真；塑性失效应变；Cowper-Symonds ；落锤冲击 目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 船舶碰撞领域研究背景及现状 2
1.2.2 船体结构冲击领域研究及现状 3
1.2.3 船体结构冲击试验及数值仿真研究现状 3
1.3 主要研究内容 4
第二章 船用高强钢静态拉伸试验及数值仿真校准研究 6
2.1 引言 6
2.2 准静态拉伸试验 7
2.3 材料特性 8
2.3.1 工程应力-应变关系 9
2.3.2 真实应力-应变关系 11
2.3.3 基于组合材料关系的材料应力-应变关系输入 12
2.3.4 材料断裂失效应变 13
2.4 静态拉伸数值仿真校准研究 14
2.4.1 有
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
1 引言 6
2.2 准静态拉伸试验 7
2.3 材料特性 8
2.3.1 工程应力-应变关系 9
2.3.2 真实应力-应变关系 11
2.3.3 基于组合材料关系的材料应力-应变关系输入 12
2.3.4 材料断裂失效应变 13
2.4 静态拉伸数值仿真校准研究 14
2.4.1 有限元仿真计算模型 14
2.4.2 仿真计算结果分析 16
2.4.3 确定材料断裂应变 21
2.4 本章小结 22
第三章 不同应变率下材料的应力应变关系研究 24
3.1引言 24
3.2 不同应变率下材料应力-应变关系确定 24
3.2.1 Cowper-Symonds应变率强化模型 24
3.2.2 基于组合材料关系的不同应变率下的材料应力-应变关系输入 25
3.3 本章小结 26
第四章 落锤冲击试验及数值仿真分析 27
4.1 引言 27
4.2 落锤冲击试验 27
4.3 数值仿真计算 30
4.3.1 有限元仿真计算模型 30
4.3.2 仿真计算结果分析 31
4.4 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
海洋占全球面积的近70%，海洋运输业发展是必然趋势，随着市场的需求，船舶的大型化及动力系统的更新使海上的交通变得越发繁忙，船舶在航行密度的增大使碰撞、搁浅等事故发生的概率持续增加，而军船、核能源船、油船、液体运输船以及化学品船等特殊船舶航运面临的风险更大，一定发生事故往往会造成船舶结构损伤、货物泄漏损失、海洋环境污染、相关工作人员伤亡等不堪设想的惨痛后果。严重的船舶事故每年都可能发生近千次，大多数船舶事故是由于碰撞而发生的，而这些船舶占全球损失总吨位的近百分之五十。船体板架是船体结构的基本组成部分，在收到巨大外载荷冲击情况下，其通过损伤变形吸收主要能量，此时板架结构会在短时间内进入塑性阶段，当达到材料的最大断裂应变时，继续受到外载荷影响有可能致使船体结构的破损失效，船舶可能发生搁浅甚至沉没等危险。船体结构巨大且构造复杂，再加上复杂的海况等外界因素的影响，使得船舶与海洋结构物的冲击问题一直是国内外学者攻坚和研究的对象之一。
提高船体结构的耐撞性能是开展船舶碰撞、搁浅等问题研究的主要目的。仅通过对船舶结构上的性能优化来提高结构耐撞性效果有限，因此，国内外专家开始设计制造高性能的船舶制造材料。高强钢作为目前广泛使用的特殊船舶制造材料，已受到更多的关注。相比普通钢材，高强刚拥有更低的含碳量，更高的屈服强度。在冶炼制造时，通过控制添加部分元素含量以及采用先进的制造方法，使得高强钢相比普通钢在屈服强度、抗腐蚀能力、冷热加工性能、焊接性能、冷脆倾向等性能上都得到了明显优化。作为海军舰船发展的重要基础材料，以高强刚为材料的船体结构冲击性能是舰船的安全性和先进性的重要决定性因素之一。因此，研究与发展高强钢在舰船上的应用具有极其重要的意义和价值。
开展缩尺或实尺度模型的结构冲击试验准备周期长，且属于一次性试验，试验资金昂贵代价过高，因此试验资料稀缺，借鉴利用效果不明显。但是船舶与海洋结构物碰撞等冲击问题直接关系到船舶与海洋结构物的工作安全性、海洋环境的保护、控制航运区域船舶航速、航行密度等海事问题。因此，开展此类问题的研究重要的实际意义。
非线性有限元分析对于解决复杂工程结构问题效果突出。早期，有限元分析在应用过程中经常受到计算机性能的限制，采用的一般是专用有限元技术，而随着计算机技术的飞速发展，非线性有限元技术已被应用到船舶碰撞等结构冲击研究中。其中，ABAQUS软件计算功能及模拟效果表达较好，而且可以设计多种不同类型的单元模型、材料模型以及分析过程等设置，可以很好的模拟试件静态拉伸试验及落锤冲击试验的过程。通过设置一定的材料参数，最终获得可视化的仿真结果，用于比对试验数据，验证模拟仿真的可靠性和准确性都有很好的体现。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 船舶碰撞领域研究背景及现状
船舶碰撞是船体结构在很短时间（大约零点几秒到1点几秒）内在巨大的冲击载荷作用下发生的一种复杂的非线性动态响应过程，构件碰撞区域迅速经过弹性阶段而进入塑性流动状态，并可能出现撕裂、屈曲等各种形式的破坏或失效[8]。船体结构具有普遍的复杂性，且十分巨大，而碰撞通常发生在海洋、江河等复杂的流体环境中，属于典型的流固耦合关系[1]，相比于陆地上的结构物，研究船舶碰撞问题所要考虑的因素要复杂的多。实船模型试验固然是一种直观可靠的研究方法，但其成本昂贵，且不能重复利用，涉及到复杂的海况环境又难以实施。因此，国内外学者不得不利用其它研究方法以及开发一些软件，通过模拟真实情况的载荷冲击过程来研究船舶碰撞的相关内容。
20世纪五十年代，船舶碰撞问题开始被一些学者纳入其研究方向中。其中，Minorsky 于1959 年在《Journal of Ship Research》 上就防止“核动力船在碰撞和搁浅等事故中严重受损，引发核泄漏问题”发表了论文，由此船舶碰撞领域研究开始了其发展进程。70年代至今，一系列油船碰撞、搁浅事故的发生伴随着大量原油泄漏，对事发地渔业和生态环境带来了不可逆的重大损失。如1989 年发生于Alaska 海岸的“Exxon Valdez”油轮搁浅事故使船舶碰撞问题开始被更多的学者关注。现阶段，船舶碰撞、搁浅问题的研究手段有很多，主要包括简化公式、理论分析、试验研究及有限元仿真。其中，非线性有限元方法在模拟事故真实场景，再现整个碰撞动态过程等方面的能力十分突出，并且能够得到较好的计算结果，成为目前研究船舶碰撞问题最为有效的方法之一[1]。
1.2.2 船体结构冲击领域研究及现状
在船舶结构冲击研究中其力学机理主要分为外部机理研究和内部机理研究两部分[1] 。外部机理研究主要描述船舶的刚体运动以及碰撞区域能量的释放、转化和冲量的变化过程，而内部机理研究主要研究碰撞区域结构的损伤变形与碰撞力之间的关系[1]。目前，船体结构冲击研究方法有许多。1959年，Minorsky提出解析法，即假设碰撞系统动量守恒，用完全非弹性碰撞理论计算碰撞过程中的动能损失，并假设损失的能量在结构的塑性变形中消耗。
第一章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 船舶碰撞领域研究背景及现状 2
1.2.2 船体结构冲击领域研究及现状 3
1.2.3 船体结构冲击试验及数值仿真研究现状 3
1.3 主要研究内容 4
第二章 船用高强钢静态拉伸试验及数值仿真校准研究 6
2.1 引言 6
2.2 准静态拉伸试验 7
2.3 材料特性 8
2.3.1 工程应力-应变关系 9
2.3.2 真实应力-应变关系 11
2.3.3 基于组合材料关系的材料应力-应变关系输入 12
2.3.4 材料断裂失效应变 13
2.4 静态拉伸数值仿真校准研究 14
2.4.1 有
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
1 引言 6
2.2 准静态拉伸试验 7
2.3 材料特性 8
2.3.1 工程应力-应变关系 9
2.3.2 真实应力-应变关系 11
2.3.3 基于组合材料关系的材料应力-应变关系输入 12
2.3.4 材料断裂失效应变 13
2.4 静态拉伸数值仿真校准研究 14
2.4.1 有限元仿真计算模型 14
2.4.2 仿真计算结果分析 16
2.4.3 确定材料断裂应变 21
2.4 本章小结 22
第三章 不同应变率下材料的应力应变关系研究 24
3.1引言 24
3.2 不同应变率下材料应力-应变关系确定 24
3.2.1 Cowper-Symonds应变率强化模型 24
3.2.2 基于组合材料关系的不同应变率下的材料应力-应变关系输入 25
3.3 本章小结 26
第四章 落锤冲击试验及数值仿真分析 27
4.1 引言 27
4.2 落锤冲击试验 27
4.3 数值仿真计算 30
4.3.1 有限元仿真计算模型 30
4.3.2 仿真计算结果分析 31
4.4 本章小结 33
结论 34
致谢 35
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
海洋占全球面积的近70%，海洋运输业发展是必然趋势，随着市场的需求，船舶的大型化及动力系统的更新使海上的交通变得越发繁忙，船舶在航行密度的增大使碰撞、搁浅等事故发生的概率持续增加，而军船、核能源船、油船、液体运输船以及化学品船等特殊船舶航运面临的风险更大，一定发生事故往往会造成船舶结构损伤、货物泄漏损失、海洋环境污染、相关工作人员伤亡等不堪设想的惨痛后果。严重的船舶事故每年都可能发生近千次，大多数船舶事故是由于碰撞而发生的，而这些船舶占全球损失总吨位的近百分之五十。船体板架是船体结构的基本组成部分，在收到巨大外载荷冲击情况下，其通过损伤变形吸收主要能量，此时板架结构会在短时间内进入塑性阶段，当达到材料的最大断裂应变时，继续受到外载荷影响有可能致使船体结构的破损失效，船舶可能发生搁浅甚至沉没等危险。船体结构巨大且构造复杂，再加上复杂的海况等外界因素的影响，使得船舶与海洋结构物的冲击问题一直是国内外学者攻坚和研究的对象之一。
提高船体结构的耐撞性能是开展船舶碰撞、搁浅等问题研究的主要目的。仅通过对船舶结构上的性能优化来提高结构耐撞性效果有限，因此，国内外专家开始设计制造高性能的船舶制造材料。高强钢作为目前广泛使用的特殊船舶制造材料，已受到更多的关注。相比普通钢材，高强刚拥有更低的含碳量，更高的屈服强度。在冶炼制造时，通过控制添加部分元素含量以及采用先进的制造方法，使得高强钢相比普通钢在屈服强度、抗腐蚀能力、冷热加工性能、焊接性能、冷脆倾向等性能上都得到了明显优化。作为海军舰船发展的重要基础材料，以高强刚为材料的船体结构冲击性能是舰船的安全性和先进性的重要决定性因素之一。因此，研究与发展高强钢在舰船上的应用具有极其重要的意义和价值。
开展缩尺或实尺度模型的结构冲击试验准备周期长，且属于一次性试验，试验资金昂贵代价过高，因此试验资料稀缺，借鉴利用效果不明显。但是船舶与海洋结构物碰撞等冲击问题直接关系到船舶与海洋结构物的工作安全性、海洋环境的保护、控制航运区域船舶航速、航行密度等海事问题。因此，开展此类问题的研究重要的实际意义。
非线性有限元分析对于解决复杂工程结构问题效果突出。早期，有限元分析在应用过程中经常受到计算机性能的限制，采用的一般是专用有限元技术，而随着计算机技术的飞速发展，非线性有限元技术已被应用到船舶碰撞等结构冲击研究中。其中，ABAQUS软件计算功能及模拟效果表达较好，而且可以设计多种不同类型的单元模型、材料模型以及分析过程等设置，可以很好的模拟试件静态拉伸试验及落锤冲击试验的过程。通过设置一定的材料参数，最终获得可视化的仿真结果，用于比对试验数据，验证模拟仿真的可靠性和准确性都有很好的体现。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 船舶碰撞领域研究背景及现状
船舶碰撞是船体结构在很短时间（大约零点几秒到1点几秒）内在巨大的冲击载荷作用下发生的一种复杂的非线性动态响应过程，构件碰撞区域迅速经过弹性阶段而进入塑性流动状态，并可能出现撕裂、屈曲等各种形式的破坏或失效[8]。船体结构具有普遍的复杂性，且十分巨大，而碰撞通常发生在海洋、江河等复杂的流体环境中，属于典型的流固耦合关系[1]，相比于陆地上的结构物，研究船舶碰撞问题所要考虑的因素要复杂的多。实船模型试验固然是一种直观可靠的研究方法，但其成本昂贵，且不能重复利用，涉及到复杂的海况环境又难以实施。因此，国内外学者不得不利用其它研究方法以及开发一些软件，通过模拟真实情况的载荷冲击过程来研究船舶碰撞的相关内容。
20世纪五十年代，船舶碰撞问题开始被一些学者纳入其研究方向中。其中，Minorsky 于1959 年在《Journal of Ship Research》 上就防止“核动力船在碰撞和搁浅等事故中严重受损，引发核泄漏问题”发表了论文，由此船舶碰撞领域研究开始了其发展进程。70年代至今，一系列油船碰撞、搁浅事故的发生伴随着大量原油泄漏，对事发地渔业和生态环境带来了不可逆的重大损失。如1989 年发生于Alaska 海岸的“Exxon Valdez”油轮搁浅事故使船舶碰撞问题开始被更多的学者关注。现阶段，船舶碰撞、搁浅问题的研究手段有很多，主要包括简化公式、理论分析、试验研究及有限元仿真。其中，非线性有限元方法在模拟事故真实场景，再现整个碰撞动态过程等方面的能力十分突出，并且能够得到较好的计算结果，成为目前研究船舶碰撞问题最为有效的方法之一[1]。
1.2.2 船体结构冲击领域研究及现状
在船舶结构冲击研究中其力学机理主要分为外部机理研究和内部机理研究两部分[1] 。外部机理研究主要描述船舶的刚体运动以及碰撞区域能量的释放、转化和冲量的变化过程，而内部机理研究主要研究碰撞区域结构的损伤变形与碰撞力之间的关系[1]。目前，船体结构冲击研究方法有许多。1959年，Minorsky提出解析法，即假设碰撞系统动量守恒，用完全非弹性碰撞理论计算碰撞过程中的动能损失，并假设损失的能量在结构的塑性变形中消耗。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/351.html
