Chinese Journal of Ship Research
船舶典型节点弯曲载荷作用下极限强度试验研究
王晓强1，胡耀愚2，3，严仁军 2，3
1 430064海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室，湖北 武汉2 430063高性能舰船技术教育部重点实验室，湖北 武汉3 430063武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉
摘 要：［目的］船舶结构中的各构件是由节点连接在一起的，连接节点的力学性能对整船的极限强度影响很大。为了解节点的受力特性，［方法］通过对不同节点型式的试件进行弯曲载荷下的极限强度试验，分别得到其载荷位移曲线、节点应力分布以及破坏形式，并分析各试件的极限强度与平均刚度特性。［结果］结果表明：三角形肘板加强节点试件的极限强度大于圆弧形过渡加强节点试件，但其平均刚度比较大的圆弧试件小；在同等载荷条件下，三角形肘板加强节点处的峰值应力大于圆弧形过渡的加强节点试件；不同大小、相同节点形式试件的破坏形式相同，而大小相同、节点形式不同试件的破坏形式则差别很大；大小两组试件间的极限强度与平均刚度的变化规律一样，但变化的程度不一样。［结论］所做的分析及试验结果可以指导优化船舶的节点设计。关键词：船舶节点；极限强度；弯曲载荷；试验研究中图分类号：U661.43 文献标志码：A DOI：10. 19693/j.issn.1673-3185. 01062
Experimental study on ultimate strength of typical ship brackets under bending load
WANG Xiaoqiang1，HU Yaoyu2，3，YAN Renjun2，3 1 Naval Military Representative Office in China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 Key Laboratory of High Performance Ship Technology of Ministry of Education，Wuhan 430063 China ， 3 School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China Abstract：［Objectives］ As ship structure members are mainly joined together by brackets， the mechanical properties of bracket joint have a great influence on the ultimate strength of the whole ship. ［Methods］ Ultimate strength experiments under bending loads are carried out to have better understanding of the mechanical properties and ultimate loads of different brackets，thereby obtaining the load-displacement curves， stress distribution and damage phenomena of specimens with different brackets. Analyses of their ultimate strength and average stiffness are carried out.［Results］It is observed that the ultimate strength of a triangle bracket specimen is greater than that of an arc bracket specimen， and the average stiffness of a triangle bracket specimen is lower than that of a larger arc bracket specimen. Under the same load，the peak stress of a triangle bracket is greater than that of an arc bracket；specimens with the same kind of bracket and different sizes have the same damage mode；however，different kinds of brackets contribute to varying damage modes even when they have the same size specimens；the ultimate strength and average stiffness between the two groups of specimens have the same changing rule and diverging changing degrees.［Conclusions］The analysis and obtained results of this paper provide useful references for improving the design of ship brackets. Key words：ship brackets；ultimate strength；bending load；experimental study
0引言
船舶结构包含的构件种类繁多，各种构件相互交叉连接形成节点，节点处通常有肘板加强结构，所有的构件都通过节点连接在一起组建成船舶整体。因此，连接节点的力学性能会直接影响到船舶结构的承载能力［1-2］。Jordan 1978 50等［3］于 年统计分析了 艘各类船12 490 230舶的 种结构节点，总计 个节点，包含破3 307坏节点 处。其中，因产生裂纹发生破坏的2 227 2 227 1 135有 处，这 处中有 处破坏是发生50.97%。1980在肘板节点连接处，占总破坏数的Jordan 36等［4年， ］再次统计分析了 艘船舶的117 374 3 555处节点，其中破坏节点 处，而这3 555 2 637处中又有 处破坏发生在肘板节点上， 74.2%。占总破坏数的Lim等［5-6］利用有限元研究了肘板对接框架接头处节点的应力分布和极限强度，并根据节点的力学特性重新设计了肘板形状，有效改善了结构ANSYS的应力。王波等［7］在 中建立梁连接节点的壳单元模型，对几种常见的船舶节点进行了屈曲强度性能计算，研究了肘板尺寸变化对节点承载力的影响。邓乐等［8］通过有限元计算，对梁肘板节点进行了一系列研究，讨论了肘板厚度、骨材端部间隙以及肘板臂长对节点强度和应力分布的影伦［9］提响。李 出了一种新的用于内部平面舱壁的肘板节点结构形式，并对这种新型节点结构形式进行了全面的优化研究，改善了肘板的应力集中现象。史战新［10］对某水下结构物的肘板节点结构进行了疲劳寿命仿真研究，其研究对象包括三角形节点和圆弧形节点，得出圆弧形节点寿命比三56.8%的结论。李骥［11］基于ANSYS角形节点寿命高APDL，对矩形肘板的节点结构进行拓扑设计语言优化，并与三角形节点和圆弧形节点进行对比，分析了它们在应力集中和重量方面的优劣性。刘甜OPTISTRUCT甜［12］采用 软件对肘板节点结构进行形状和拓扑优化，得到了节点材料的最佳分布，极大地降低了节点区域的应力集中。目前，对船舶节点强度的研究主要集中在利用有限元软件进行结构优化方面，而有关船舶节2种点的试验研究还十分缺乏。本文将以典型的船舶节点——三角形肘板加强节点和圆弧形过渡加强节点（以下分别简称为“三角形节点”和“圆弧2形节点”）为研究对象，设计大、小 组试验试件， 1 2每组包含 个三角形节点试件和 个圆弧形节点试件，对每个试件进行弯矩载荷下的极限强度试 验，并对比分析它们的载荷位移曲线、极限承载力以及破坏位置与现象，用于为船舶的节点优化设计提供参考。
1 试验模型
2试验中的 组试件尺寸根据实际某船舶甲板横梁与横舱壁竖桁以及连接节点尺寸，结合试验1条件进行设计，每组试件包括 个三角形节点试2件和 个不同圆弧大小的圆弧形节点试件。
1.1 试件尺寸
1如图 所示，试验试件包括横梁和竖桁以及6连接两者的节点，将图中 个试验试件（单位： mm）分别进行编号：A1，A2，A3；B1，B2，B3。其中A1试件 为三角形节点试件，三角形节点腹板的尺A2 A3寸为 8 mm ´ 350 mm ´ 350 mm ，试件 和 为650，550 mm。圆弧形节点试件，其圆弧半径分别为B1试件 为三角形节点试件，三角形节点腹板的尺A2 A3寸为 5 mm ´ 250 mm ´ 250 mm ，试件 和 为450，350 mm。圆弧形节点试件，其圆弧半径分别为
1.2 测点布置
为考察试验过程中试件节点以及横梁竖桁上21的应变变化，在每个试件上均布置了 个测点，分别布置在节点上腹板局部应力较大点和其对应
面板中间，以及横梁和竖桁上局部应力较大点与应力梯度较大的位置。面板上和应力梯度较大位置处的主应力方向明确，故测点位置采用单向应变片测量；横梁和竖桁相接处以及节点腹板上的应力复杂，故测点位置采用三向应变片测量。具2体位置如图 所示。WBD试验中，用 百分表测量位移，每个试件2 3有 个位移测点，如图 所示。同组试件的位移测点相同，1号测点位于横梁加载点下方，2号测点位于横梁中部下方。
2 试验设计 2.1 试验工装
结合试验平台的条件，根据试验的约束和加4载要求，设计试验工装如图 所示，其通过反力架和千斤顶提供集中载荷，千斤顶下放置力传感器，由力传感器控制和记录集中载荷的力的大小。整个试件固定在地基滑道上，同时竖桁上部的夹具限制其在弯曲方向的位移，以保证在试验过程中弯曲载荷全部作用在节点处。
2.2 试验过程
在进行极限强度试验之前，对试件进行多次加载和卸载，以释放试件的加工残余应力。试件2 1共承受 个载荷：第 个是竖桁上的固定载荷，由2实际甲板承受的压力转换而来；第 个是横梁上的弯曲载荷，由横梁端部的千斤顶集中加载产生，是试验的主要驱动力，由它的大小来测定各试件的极限承载能力。2 A 3试验加载分 步。对于 组的 个试件，首先10 kN，然 8kN加载竖桁上的载荷至 后以 分级加载横梁上的弯曲载荷，每加载一级，待试件稳定后再采集所有的应变以及位移数据，直至极限载荷。到达极限载荷后，随着千斤顶的加载，载荷反B组倒会逐渐下降，最后缓慢加载至试件破坏。A试件的加载流程与 组相似，竖桁上的载荷为3kN 4kN ，以 分级加载弯曲载荷并采集数据，直至极限载荷，然后缓慢加载至试件破坏。
3 结果分析
试验中，竖桁上的载荷较小，加载后，试件应力场的变化极小，故本节主要分析横梁上的弯曲载荷对试件的影响（本节中出现的“载荷”均指弯曲载荷），并将竖桁上载荷加载后的状态作为弯曲载荷的零点。
3.1 载荷—位移曲线
5（a）所示，根据A如图 组试件的载荷—位移A1，A2 A3 3曲线，可知 和 这 个试件在极限载荷前3的刚度变化可以分为 个部分：加载前期刚度不稳定部分、加载中期刚度稳定部分和加载中后期刚度逐渐下降部分。其中，加载前期刚度不稳定是因为试件与工装间不可避免地产生了间隙；随着载荷的增加，间隙消除，加载中期的载荷和位移呈良好的线性关系；到加载至接近极限载荷时，曲
线斜率减小，试件的刚度逐渐减小，直至极限载荷0。继续加载，载荷随着位移的增加反时刚度为而减小，产生了负刚度。3个试件中，刚度最大的A2，其次是试件A1，试件 A3是试件 的刚度最小。5（b）可知，B 3 A由图 组 个试件的载荷位移变化与B2 B1，试件B3组相似，试件 的刚度略大于试件 的刚度最小。将各试件在极限承载力之前的载荷位移值进行最小二乘法线性拟合，拟合的直线斜率1即为各试件极限载荷前的平均刚度，具体如表所示。 结构的极限承载力是指结构完全崩溃前所能承受外荷载的最大能力。在载荷—位移曲线中，曲线最高点对应的载荷即为试件的极限承载力， 5可也就是试件承载弯曲载荷的极限强度。由图A1，A2 A3 305，知，试件 和 的极限承载力分别为264 208 kN，试件 B1，B2 B3和 和 的极限承载力分145，102 95.5 kN，其中试件A1别为 和 的极限承载A2 15.5% A3 46.6%；力比试件 的大 ，比试件 的大B1 B2 42.2%，比试试件 的极限承载力比试件 的大B3 51.8%。通过分析2件 的大 组试件的极限承载力，可以看出，三角形节点试件的极限承载力比圆弧形节点试件的大，这是因为三角形节点形成了局部框架，提高了试件的承载能力。将各组试件的极限承载力和极限承载力前的平均刚度进行无因次化，则极限承载力为：A1∶A2∶ A3=1.16∶1∶0.79，B1∶B2∶B3=1.42∶1∶0.93；极限承A1∶A2∶A3=1∶1.21∶0.79，载力前的平均刚度为： B1∶B2∶B3=1∶1.07∶0.76。B 3组 个试件间极限承A 3个试件的剧烈；A 3载力的变化比 组 组 个试件B 3间极限承载力前的平均刚度变化比 组 个试件的剧烈，两组试件间的差异可能是由尺度效应所引起。
3.2 应力应变分析
为验证应变数据的有效性，从所有试件的应60变数据中随机提取了 个测点的应变数据，并对10每个测点加载初期的前 个数据进行了应变—载荷6线性拟合，拟合结果的相关系数如图 所示。由60图可见，在 个随机测点中，大部分测点线性拟0.98，而小于 0.98合的相关系数都大于 的测点相0.8，可见本次试验应变数据在加载关系数仍大于初期具有很好的线性度，测量结果真实有效。 由测点布置可知，每个试件节点的软趾处都A F=布置了三向应变片，当 组试件的弯曲载荷48 kN A1，A2 A3时，试件 和 节点软趾处的最大主
应力分别为-193.24，-151.70和-161.92 MPa；当 B F=24 kN B1，B2 B3组试件的弯曲载荷 时，试件 和节点软趾处的最大主应力分别为-229.18，-200.16 -182.34 MPa A1和 。在同等载荷条件下，试件 节A2 27.4%点软趾处的最大主应力比试件 的大 ，比A3 19.34%；试件 B1试件 的大 节点软趾处的最大B2 14.5% B3主应力比试件 的大 ，比试件 的大25.7%。
3.3 破坏位置与现象
A1试件 的破坏位置位于横梁面板和腹板上与三角形肘板相接处。开始加载后，与三角形肘板相接处的横梁腹板首先屈曲并向一边凸起，随着横梁腹板凸起程度的变大，与三角形肘板相接处的横梁面板也屈曲并向另外一边折皱，最后试件破坏，破坏时，三角形肘板没有明显变形，如7（a）所示。图 A2试件 的破坏位置位于横梁面板圆弧段和直线段过渡区域。开始加载后，过渡区域的横梁腹板首先屈曲并向一边凸起，随着横梁腹板屈曲程度的变大，此处的横梁面板也屈曲并向另外一7（b）所示。边凸起，如图A3试件 的破坏位置位于横梁圆弧节点与竖桁相接区域。开始加载后，横梁腹板首先屈曲并向一边凸起，随着横梁腹板屈曲程度的变大，角点7（c）所示。处焊缝和腹板产生了撕裂，如图 A 3组 个试件的破坏位置和变形程度各不相同，分析原因如下： 1 A1 ）试件 的三角形肘板形成了框架，整个三角形框架的刚度很大，直到三角形肘板破坏也未产生明显的变形。这相当于在横梁面板和三角形肘板相接处给横梁提供了一个刚性支点，弯矩载荷大部分被横梁承受，且此处横梁腹板上产生了应力集中，导致此处横梁腹板首先屈曲变形并带动面板变形，随着载荷的增加，横梁上腹板产生屈曲的面积和程度增大，最后整个试件达到极限承载状态，当载荷继续增加时，变形增大但承载力反而会减小。2）试件A2的大圆弧腹板过渡减轻了横梁腹板上的应力集中，整个横梁圆弧段上的应力比较平均。圆弧段和横梁直线段过渡区域的应力集中最大，当载荷增加时，此处首先屈曲变形并带动面板变形，随着屈曲的面积和程度的增大，整个试件达到极限承载状态。3）试件A3的小圆弧腹板在与竖桁相接处形成了很小的尖角，导致此处应力集中非常严重，随着载荷的增加，此处横梁腹板屈曲变形剧烈，当到达极限承载状态时，由于变形太大，横梁腹板与角点焊缝产生了撕裂裂纹。B1，B2 B3试件 和 的破坏位置及破坏现象与A1，A2 A3 8试件 和 相似，如图 所示。由此可见，节点的形式决定了试件的破坏形式，而试件大小对破坏形式没有影响。
4 有限元分析
ABAQUS，按使用有限元软件 照试验中各试6件的具体尺寸建立 个试件的三维有限元模型， A1计算其极限承载能力。以试件 为例，其整体模9型如图 所示。 S4R S4R模型单元采用 单元， 单元为四节点曲壳单元，适用于薄壳或厚壳结构建模。有限元mm，力的单位为kN。有限元模型的长度单位为模型的约束条件和载荷条件与试验一致，即在底3部支座处固定 个方向的位移和转角，竖桁顶部约束平行于横梁方向的线位移，在试件加载处施加位移载荷。经网格收敛性分析，有限元模型采20 mm。用的网格大小为 2所有限元模型的极限承载力计算结果如表示，与试验实测值相比，计算值与试验值之间的相对误差在±6%以内。 表2 有限元计算的极限承载力与试验值的对比Table 2 Comparison of ultimate strength between finite element models and experiments 10 A组图所示为有限元模型的破坏模式（以试件为例）。由图可见其破坏位置和现象与试验结果基本一致，这说明有限元计算模型能够很好地模拟试验的过程和结果，验证了试验结果的正确性。
5结论
本文对三角形节点以及大、小圆弧形节点的2极限强度性能进行了 组试验研究，并进行了对比，同时，还通过有限元计算验证了试验结果的正确性，主要结论如下： 1）比较试验中同组3个试件的节点，当采用三角形肘板连接时，可以在节点处形成局部框架，相对于圆弧连接，其对局部有加强作用，所以其极限承载力大。同时，由于三角形肘板在软趾处形成了应力集中，软趾处的主应力比圆弧形过渡节点软趾处的大，因此在同等外载荷条件下，相比于三角形肘板连接，圆弧过渡的连接方式可以降低
节点处的峰值应力。2）不同大小、相同节点形式的试件破坏形式相同，而大小相同、节点形式不同的试件破坏形式差别很大，说明节点形式决定了试件破坏形式，而试件大小基本不影响试件破坏形式。3）通过将2组试件的试验数据无因次化后进2 3行对比，发现 组试件 个试件间的极限承载力与极限载荷前平均刚度的变化规律相同，但变化的2程度不同，组试件间的差异可能是由尺度效应所引起。有关尺度效应对极限承载力和刚度的具体影响和作用还有待进一步的研究。4）有限元计算可以很好地模拟试验的结果和现象，可以用于船舶节点设计的模拟分析，简化节点的设计过程，并为船舶节点的强度优化提供指导。
参考文献：