海洋工程结构物碰撞失效准则探讨.pdf

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1、第4l卷第2期2012年04月船海工袒SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．4lNo．2Apr．2012DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2012．02．038海洋工程结构物碰撞失效准则探讨赵效东。张乐山(德国劳氏船级社未来船舶技术咨询，上海200020)摘要：以工程上常见的梁受压力弯曲破坏实验为例，分别选用V—M等效应变、厚度应变和主应变三种失效准则进行有限元模拟仿真，从理论公式和现实工程结论两个方面证明工程上普遍采用的V．M等效应变失效准则的局限性，并验证厚

2、度应变和主应变失效准则的可行性，从而提出综合应变失效准则的概念，为工程上求解船舶和海洋工程结构碰撞问题时选取失效准则提供参考依据。关键词：碰撞；失效准则；V—M等效应变；厚度应变；主应变中图分类号：U661．4文献标志码：A文章编号：1671-7953(2012)02-0144-05在当今的非线性有限元模拟仿真领域，V—M等效应变8。。普遍地被用作为失效应变准则⋯占讲=．／÷【(占I一占2)2+(占l一占3)。+(82—83)2】V7(1)在动力显式分析中，程序按照增量理论计算单元的塑性应变，通过

3、式(1)来衡量结构的变形是否超出了预设的范围，当应变超出了设定的失效应变值时，单元就会自动失效，不再参与有限元分析。该失效准则有两个显著的特点：①综合考虑的三个主应变对单元失效的影响；②由于Von-Mises应力和应变是从能量角度推导出来的，因此没有方向性，无法区分结构承受的载荷是拉应力还是压应力，当单元的V．M等效应变达到预设值时，单元就会失效。由此可见，结构受拉还是受压对V-M等效应变准则是没有区别的，但是在实际工程中，结构受载形式的不同却会对其强度和稳性有着至关重要的影响。以单轴拉伸压缩试验

4、为例，对于低碳钢这种弹塑性材料，其受拉时分为明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，其抗拉极限强度很容易测出。而当其受压时，试件越压越扁，曲线不断上升，得不到材料的抗压极限强度。对于铸铁这种典型的脆性材料，其抗压极限是抗拉极限收稿日期：2010—12—06修回日期：20ll—03—23第一作者简介：赵效东(1985一)，男，硕士，工程师。研究方向：海洋结构物碰撞分析与研究E-mail：Xun一1122@163．corn144的5—6倍。所以通常情况下钢材的破坏是因为受拉导致的，大部分情况下受

5、压只会导致结构的失稳。因此，V．M失效准则不能真实地描述复杂应力状态下的结构失效。为此，考虑应用理论上可行的厚度应变准则来代替V-M失效准则。1有限元分析模型的选取和建立1．1模型选取典型的船体舷侧结构板架或海洋平台结构板架见图l、2。图1船体舷侧结构图2典型船体板架结构以板格为研究对象。当发生板平面法向载荷作用时，面板和上面的骨材会向内侧凹曲，板格两端会受到其它桁材和骨材的约束限制，不仅会发生转动，还会有向内侧的位移，其变形见图3。故可以简单地将其视为两端弹性固定的简支梁。海洋工程结构物碰撞失效

6、准则探讨——赵效东，张乐山TJ谨材板接r打物体图3典型板格结构受外载变形1．2材料属性的定义应用非线性有限元软件15一DYNA进行模拟仿真。选取软件中的+MATl23作为材料模型，+MATl23是修改后的多线性弹塑性材料模型，可以单独设定材料达到屈服后的硬化过程曲线，见图4。除此之外，它也嵌入了应变率的影响。图4材料的真实应力应变关系曲线’MATl23的最大特点足融合了三种失效准则——V—M等效应变失效准则、材料厚度方向应变失效准则以及最大主应变失效准则，通过对这三种失效准则进行搭配组合，口J以找

7、到一种能够更加精确描述材料失效准则的方案。应用LS—DYNA软件作为分析下具，选取4MATl23为材料的本构模型。当结构受到冲击载荷时，结构各个部位的应变变化速率不同。此次模拟没有考虑应变率的影响。由于非线性破坏计算涉及到结构的极端几何特性和材料特性，而且材料属性中的极端拉伸应力对结构的变形能有重要的影响。针对这种非线性模拟仿真，推荐使用材料的真实应力应变关系曲线。可以从拉伸试验获取该曲线，并通过公式(2)计算得到12J。Ov=Ce”(2)式中：n=ln(1+A。)(3)c=R。(詈)(4)其中：

8、A。——最大均匀应变；冗．——极限拉伸应力。A。、R。值都可以从拉伸试验中获得。德国劳氏船级社专家研究发现，当R。为已知的时候，A。可以通过公式(5)获得。“s2矿订而丽砭材料的真实应力、应变曲线关系见图5。日0墨o!o藿。盏o0真实应变比值图5材料的真实应力一应变关系曲线(5)2选取不同失效准则时的非线性有限元模拟分析2．1V-M失效准则首先应用V．M失效准则进行梁的弯曲模拟，由于只关注梁的破坏形式，并不关注能量的转化守恒，所以对梁跨中中性面上的3个节点设置速度，保证梁的跨中巾性