Chinese Journal of Ship Research

含初始裂纹铝合金板在­反复冲击载荷下的动态­响应

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段芳娟,刘敬喜,解德

段芳娟1,2,刘敬喜*1,2,解德 1,2

1 430074华中科技­大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉2 200240高新船舶­与深海开发装备协同创­新中心,上海

板的反复冲击试验和有­限元仿真研究,分析在反复冲击载荷下­铝合金板的动态响应特­性,比较完整铝合金板和摘 要:[目的]为研究含初始裂纹铝合­金板在反复冲击载荷作­用下的动态响应影响,[方法]通过开展铝合金含初始­裂纹铝合金板在反复冲­击载荷作用下的冲击力­和破坏模式。[结果]试验结果与仿真计算取­得较好的吻合。结果表明,在反复冲击载荷作用下,铝合金板对初始裂纹较­为敏感;初始裂纹会降低铝合金­板的承载能力,使得冲击力减小,反复冲击直至失效的冲­击次数减小;含初始裂纹铝合金板的­破坏模式也会受到影响。[结论]研究结果可对铝合金船­体外板的结构强度计算­和评估提供一定的依据­和参考。关键词:反复冲击;承载能力;破坏模式;含初始裂纹铝合金板;冲击试验;数值仿真中图分类号:U661.43 文献标志码:A DOI:10.19693/j.issn.1673-3185. 01231

Dynamic response of aluminum alloy plate with initial cracks under repeated impacts

Duan Fangjuan1,2,Liu Jingxi*1,2,Xie De1,2 1 School of Naval Architectu­re and Ocean Engineerin­g,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074 China 2 Collaborat­ive Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploratio­n,Shanghai 200240,China Abstract:[Objectives]This paper aims to study the effects of initial cracks on the dynamic response of aluminum alloy plate under repeated impacts. [Methods] Through the repeated impact test and finite element simulation of the aluminum alloy plate,we analyze the dynamic response characteri­stics of the aluminum alloy plate under repeated impacts,and compare the impact loads and failure modes of the aluminum alloy plate with and without initial cracks.[Results]The test results are in good agreement with the simulation calculatio­ns. The results show that the aluminum alloy plate is sensitive to initial cracks under repeated impacts;the initial cracks can reduce the load carrying capacity of the aluminum alloy plate,resulting in the reduced impact load and the reduced number of the repeated impacts for failure;the failure modes are also influenced by the initial cracks under repeated impacts. [Conclusion­s] The research in this paper provides a certain basis and reference for calculatin­g and evaluating the structure strength of aluminum alloy hull plate. Key words:repeated impacts;load carrying capacity;failure modes;aluminum alloy plate with initial cracks;impact test;numerical simulation

0引言

船舶与海洋工程结构经­常受到反复冲击载荷的­作用,如波浪对船艏和船艉的­砰击、冰载荷对其的撞击以及­船舶在靠港时与码头之­间的碰撞。在反复冲击载荷下,当船体外壳存在初始裂­纹时,会使船体的承载能力急­剧下降,导致船体发生大变形甚­至失效破坏。目前还没有设计规范明­确地给出含初始缺陷的­船舶外板在反复冲击载­荷作用下的极限承载状­态,因此开展极限承载能力­的研究和分析对船舶安­全显得尤为重要。为此,已有学者对不同结构在­反复冲击载荷作用下的­力学性能开展过研究。Huang等[1]在落锤冲击加载设备上­开展了一组刚性球形冲­头反复撞击固支铝合金­圆板的实验,发现对于边界受到约束­的弹塑性结构,当结构受到相同的反复­动载作用及产生弹塑性­变形时,其所能贮存的弹性变形­能亦将随变形的增加而­不断增大。Rajkumar等[2]对铝合金板开4展了 次反复冲击试验,对四周固支的试件进行­5.2 kg。岳低速落锤试验,冲头为半球形,质量为海亮等[3]使用落锤冲击试验机开­展复合材料板的反复冲­击试验,比较了不同冲击能量下­复合材料板的吸能特性­和破坏模式。对于舰船和海洋平台,在其结构中不可避免地­会存在类似裂纹的缺陷,这些缺陷可能是材料固­有的或是制造加工中造­成的,也可能是运行过程中受­到冲击造成的,在舰船和海洋结构物的­工程分析中应将此因素­考虑进去。近年来,初始缺陷对结构剩余承­载能力和破坏形式的影­响引起了越来越多研究­人员的关注。张美兰等[4]用移除单元法数值模拟­了裂纹板拉伸的过程。樊振兴等[5]采用不同宽度、不同初始裂纹长度的中­心裂纹板进行试验,探究影响含裂纹铝合金­薄板材料断裂韧度、剩余强度的几何因素,结果表明,试件宽度、初始裂纹长度对断裂韧­度都有影响。殷学纲等[6]运用理论方法研究含初­始裂纹结构的动态响应,建立了强度衰减结构的­动态可靠性分析和寿命­评估模型,并探讨了初始裂纹的变­化对可靠性的影响。Paik等[7-9]基于数值计算和试验结­果,推导出含初始裂纹板的­极限强度计算方法,发现裂纹长度和加载方­向垂直的横向裂纹会很­大程度地降低板的极限­承载能力,而裂纹长度和加载方向­相同的纵向裂纹对板承­载能力的折减则明显不­如横向裂纹。张婧等[10]采用非线性有限元法开­展了含裂纹、点蚀损伤的加筋板在轴­压下的极限强度研究,结果表明,裂纹长度、点蚀的增加会使加筋板­的剩余强度明显降低。Seifi等[11]研究了含初始裂纹铝合­金板在静载下的极限承­载能力。此外,还有一些学者开展了初­始裂纹的长度、位置和加载方向夹角对­光板及加筋板的承载能­力的影响研究[12-13]。通过对以上文献的分析­可知,目前针对简单板结构的­承载能力研究多集中于­考虑单一影响因素,即仅考虑裂纹或仅考虑­冲击次数,很少有考虑两者的耦合­影响。实际上,在反复冲击下,裂纹的存在会改变板的­失效模式,从而影响到板的承载性­能。将两者结合起来分析,对船舶外板的极限承载­能力评估有重要意义。本文拟在落锤试验机上­开展完整和含初始裂纹­铝合金板的反复冲击试­验,探讨冲击力随冲击时间­和冲击次数的变化,比较两者的破坏模式,分析初始裂纹带来的影­响。同时,根据试验建立仿真模型,比较试验和仿真结果,更深入地分析反复冲击­下铝合金板的失效机理。

1 材料及试验研究1.1 材料模型

AA5083-H116。本文试验模型采用的材­料为虽然钢材是船舶与­海洋工程结构中的传统­材料, 90但是从 年代开始,铝合金材料被越来越多­地应AA5083-H116用于高速船的­建造中。 材料为高镁合金,在不可热处理的合金材­料中具有强度、耐蚀性、可切削性良好的特点。在有限元仿真中,当材料处于弹性变形阶­段时,真实应力与真实应变之­间呈线性关系,其本构方程为胡克定律;当应变超过弹性极限、材料处于弹塑性变形阶­段时,真实应力 σˉ 与真实应变 εˉ 之间呈非线性关系,其本构方程可表示为(1) σˉ = σ + B ( εˉ - )n εˉs s式中:σ 为弹性极限应力,εˉs 为弹性极限应变;B s GB为强化系数; n为强化指数。本次试验参考228-87《金属拉伸试验方法》,通过拉伸试件试验获得­材料的工程应力—应变曲线,并采用式(1)拟1 1合得到如图 所示的真实应力—应变曲线。表给出了材料的基础力­学参数。

1.2 试件尺寸

完整和含初始裂纹铝合­金板几何尺寸均为10­0 mm×100 mm×6 mm,由 1 000 mm×一块尺寸为1 000 mm×6 mm的板切割得到。裂纹的长度为8mm 1mm ,等于冲头直径。裂纹深度为 ,即裂纹1/6 12深度与板厚之比为 。试验中,方形试件由个等间距的­内六角螺栓固定在上、下两块钢制的

1.4 试验过程

反复冲击试验在落锤试­验机上展开,试验装100 mm×夹板之间,两块夹板的几何尺寸相­同,均为100 mm×10 mm,中间切除直径为75 mm的圆形区域,作为冲击试验区。

1.3 裂纹预制

试件上的初始裂纹均采­用电火花加工工艺方2­法预制,加工原理如图 所示。电火花加工也称放电加­工,是一种利用两极间脉冲­放电产生的电腐蚀现象­对材料进行加工的方法。当工具电极(正极)和浸没在液体电解质中­的工件(负极)在绝缘体中靠近时,极间电压将两极间“相对最靠近点”电离击穿,形成脉冲放电,逐步腐蚀多余的金属。8 933 kg/m3电火花加工工具的­电极由密度为的纯铜制­成,加工过程中可沿垂向和­水平方向单0.03 mm。首先,工具电极沿向匀速运动,精度为Z轴垂直向下给­进,在Z轴上的最终位置由­预制裂纹的深度决定;然后,在保持电极与试件之间­恒定放电间隙的条件下,使电极沿X轴给进,给进距离3所由预制裂­纹的长度决定。裂纹预制过程如图示。加工过程中工作液不断­循环,带走放电时所4 8mm,产生的热量和电蚀产物。如图 所示为长度1mm深度 的裂纹预制完成后的试­件。5 12 mm,质置如图所示。冲头为半球形,直径为13.26 kg。本文中采用的冲击能量­为60J量为 ,通过大量试验,得到在此能量下可以将­试件在合适

的反复冲击次数内穿破。首先,将试件用螺栓固定在两­块夹板之间,以防止试件发生水平滑­移。然后,将固定好的试件和两块­夹板一起放在落锤试验­机的试验台上,并用试验机的夹紧装置­固定,以限制试件四周边界垂­直方向的自由度,达到四周刚性固定的边­界条件。每次冲头冲击试件之后,会有一个反弹捕捉器将­冲头接住,防止由于冲头反弹产生­二次冲击。对含初始裂纹的试件,含裂纹面朝下,不与冲头直接接触。

每次冲击后,试件的正面和背面的塑­性变形形状由数码相机­记录下来,并利用激光位移传感

器测量试件沿中心线的­变形,变形测量装置如图6所­示。冲头和试件之间的冲击­力由力传感器测60J,得。重复开展冲击试验,每次冲击能量恒定为直­至试件发生明显破坏。试验完成之后,力—时

间曲线、位移—时间曲线以及能量—时间曲线均由电脑输出­得到。

2 数值仿真计算2.1 有限元模型

ABAQUS/ Explicit运用­非线性有限元软件 对反复冲击试验进行数­值仿真,完整和含初始裂纹

铝合金板都根据试验设­置进行数值建模,对含裂

纹的铝合金板,通过移除板中心处的网­格,来制造7所初始缺陷模­拟真实裂纹。有限元模型如图C3D­8R,冲头设置成刚体,上、下示,采用实体单元夹板根据­试验中的边界将上、下面固定,冲头仅允

许有沿垂直方向的自由­度。为提高计算的准确性和­节约计算时间,将冲击点周围的网格进­行局部优化。

2.2 失效准则

1铝合金为各向同性弹­塑性材料,参数如表1所示,塑性阶段的应力—应变曲线如图 所示(不

(c)初始裂纹放大图图7 反复冲击仿真的有限元­模型Fig.7 FE model of repeated impact simulation­考虑温度的影响)。铝合金板的失效模式由­ABAQUS自带的延­展性材料失效模型定义,损伤开始和损伤演化分­别由等效断裂应变ω 及断裂D

能量G 控制。f 2当模型单元满足式( )时,开始破坏。

(2) ω =  ( ) εˉpl dεˉplˉpl =1 D ηε D式中,εˉpl 、εˉpl 、εˉpl 和 η分别代表等效塑性应­变、极D D限等效塑性应变、等效塑性应变率和应力­三轴度。达到起始损伤后的损伤­扩展用断裂能G 控f制,即当单元满足式(3)时,判定为失效,并从模型中删除。pl

uˉf

3 G =  σ uˉ pl ( ) f y 0

pl式中:uˉ 和 σy分别代表等效塑性­变形和屈服应力。f 3 试验结果3.1 完整铝合金板反复冲击­结果8图 所示为在冲击试验中完­整铝合金板承载力随时­间变化的试验和仿真曲­线,从图中可以看出,试验和仿真吻合较好。仿真结果略大于试验结­果,误差主要是由单元格尺­寸不合适引起。在6前 次重复冲击中,随着冲击次数的增加,由于材料硬化使得冲击­力逐次明显增大,冲击时间逐次6缩短;在第 次冲击时冲击力达到峰­值,此时板虽然开始发生破­坏,但仍然具有一定的承载­能力;在6第 次冲击之后,由于试件损伤累积在冲­击点处产生新的裂纹,使得板的承载能力迅速­降低,冲击9力开始减小,直至第 次冲击时试件发生破坏。冲击试验中每次冲击后­板的塑性变形轮廓如9­图 所示,最后一次冲击变形曲线­不对称是由于1,3,6 9板的破裂引起。第 和 次冲击下试件的损10­伤模式如图 所示。从图中可以看出,试件的变2形可以分为 部分:整体变形和局部凹坑。与冲头贴合的部分为局­部凹坑,由于冲头向下运动造成­的弯曲和剪切产生;颈缩圈到边界段的变形­为整体变形,主要是由于膜拉伸造成­的塑性变形。局部凹坑的形状与冲头­形状一致,随着冲击次数的增加,试件的变形逐次增大直­至失效,局部凹陷值与整体变形­值之比逐次增大。这表明在反复冲击过程­中,局部凹坑在板的响应中­占有重要地位,应该引起足够重视。

3.2 含初始裂纹铝合金板反­复冲击结果

11图 所示为含初始裂纹铝合­金板在冲击实验中的承­载力—时间曲线,试验和仿真结果吻合得­较好,仿真结果略大于试验结­果。由图可以看60J出,含初始裂纹铝合金板在 的冲击能量下重8复冲­击 次后失效,比完整铝合金板的冲击­次数少一次。随着冲击次数的增加,板的承载力不断5增大,在第 次达到最大,然后逐渐减小直至破1­2裂。图 所示为完整和含初始裂­纹铝合金板的最大承载­力的比较。由图可以看出,每一次冲击中含裂纹铝­合金板的承载力明显小­于完整铝合金板承载力。在达到峰值前,承载力随冲击次数成1­正比,这是由材料的硬化引起。从图 中铝合金的真实应力—应变曲线可以看出,此材料没有明显的屈服­阶段,真实应力随着应变而不­断增大,因此承载力会随着冲击­次数增大。含裂纹铝合金板承载力­达到峰值时的冲击次数­与冲破时的冲击次数均­比完整铝合金板提前一­次,这表明初始裂纹使板的­刚度下降,对铝合金板的承载能力­有很大影响。10 13对比图 和图 发现,完整和含初始裂纹铝合­金板在反复冲击下表现­出不同的破坏模式。完整铝合金板在反复冲­击下,在冲击点处先形成一个­凹坑,随着冲击次数的增加在­凹坑颈缩圈上萌生出一­个裂纹,裂纹的出现导致板的承­载能力快速下降,随着冲击次数的继续增­加板很快破裂。含初始裂纹铝合金板在­反复冲击下,沿着初始裂纹的长度方­向往两边扩张,随着冲击次数的增加,在垂直初始裂纹方向沿­着冲头凹坑边缘萌生出­一个裂纹,从而使得板以初始裂纹­为界向萌生裂纹方向撕­裂穿透。

4结论

1)随着冲击次数的增加,铝合金板的冲击力开始­由于材料的硬化而增大,当冲击凹坑区出现裂纹­后由于板承载能力的急­剧下降,承载力也逐渐减小直至­铝合金板破裂。2)初始裂纹的出现会严重­降低铝合金板的承载能­力,使得铝合金板承受反复­冲击直至破裂的次数减­少,承载力也变小。采用非线性动态有限元­软件可以对含初始裂纹­铝合金板的反复冲击过­程进行较好的描述,并且该方法经过试验验­证,

已证明其可行性。这一裂纹模拟方法对评­估含初始缺陷船体外板­的承载能力、船舶结构设计和优化方­向具有重要意义。3)完整和含初始裂纹的铝­合金板在重复冲击下的­破坏模式也不同。完整铝合金板在反复冲­击下,凹坑区出现裂纹后沿凹­坑穿透;含初始裂纹铝合金板则­沿着垂直裂纹长度方向­萌生横向裂纹,将铝合金板沿着裂纹方­向撕裂穿破。

参考文献:

[1] Huang Z Q,Chen Q S,Zhang W T. Pseudo-shake⁃ down in the collision mechanics of ships[J]. Interna⁃ tional Journal of Impact Engineerin­g,2000,24(1): 19-31. [2] Rajkumar G R,Krishna M,Murthy H N N,et al. In⁃ vestigatio­n of repeated low velocity impact behaviour of GFRP/aluminium and CFRP/aluminium laminates[J]. Internatio­nal Journal of Soft Computing & Engineer⁃ ing,2012,6(1):50-58. 3] 岳海亮,张国利,王壮志,等. [ 聚氨酯涂层对复合材

J].料层合板抗反复低速冲­击性能的影响[ 材料研究学报,2016,30(5):379-387. Yue H L ,Zhang G L,Wang Z Z,et al. Evaluation of ressistanc­e to repeated low-velocity impact of compos⁃ ite laminates with polyuretha­ne coating[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2016, 30 (5 ): 379-387(in Chinese). 4] 张美兰,陈震,赵晟. [ 移除单元法中单元失效­应变

J]. 2013,8(2):46-52,的确定[ 中国舰船研究, 64. Zhang M L,Chen Z,Zhao S. The determinat­ion of ele⁃ ment failure strain with the element removal method [J]. Chinese Journal of Ship Research,2013,8(2): 46-52,64(in Chinese). 5] 樊振兴,李亚智,王亚星,等. [ 含裂纹铝合金薄板的

J].断裂韧度与剩余强度研­究[ 航空工程进展, 2015,6(1):52-52,63. Fan Z X Li Y Z ,Wang Y X,et al. Study on fracture

, toughness and residual strength of aluminum alloy thin sheet with crack[J]. Advances in Aeronautic­al Sci⁃ ence and Engineerin­g,2015,6(1):52-52,63 (in Chinese). [] 6 殷学纲,郭书祥. 含初始裂纹结构的动态­可靠性分

析[J]. 工程力学,1995,12(2):72-79. Yin X G ,Guo S X. Dynamic reliabilit­y analysis of structures with initial cracks[J]. Engineerin­g Mechan⁃ ics,1995,12(2):72-79(in Chinese). [7] Paik J K,Kumar Y V S,Lee J M. Ultimate strength of cracked plate elements under axial compressio­n or ten⁃ sion[J]. Thin-Walled Structures, 2005, 43(2): 237-272. [8] Paik J K. Residual ultimate strength of steel plates with longitudin­al cracks under axial compressio­n-experi⁃ ments[J]. Ocean Engineerin­g,2008,35(17-18): 1775-1783. [9] Paik J K. Residual ultimate strength of steel plates with longitudin­al cracks under axial compressio­n-nonlinear finite element method investigat­ions[J]. Ocean Engi⁃ neering,2009,36(3/4):266-276. [ 10 ] 张婧,闫岩,徐烁硕,等. 点蚀、裂纹损伤对船用加

J].筋板剩余极限强度的影­响[ 中国舰船研究, 2018,13(1):38-45. Zhang J,Yan Y, Xu X X ,et al. Influence of cracks and pitting corrosion on residual ultimate strength of stiffened plates[J]. Chinese Journal of Ship Re⁃ search,2018,13(1):38-45(in Chinese). 11 Seifi R,Khoda-yari N. Experiment­al and numerical [ ] studies on buckling of cracked thin-plates under full and partial compressio­n edge loading [J]. Thin-Walled Structures,2011,49(12):1504-1516. [12] Margaritis Y,Toulios M. The ultimate and collapse response of cracked stiffened plates subjected to uni⁃ axial compressio­n [J]. Thin-Walled Structures, 2012,50(1):157-173. [13] Xu M C ,Garbatov Y,Soares C G. Residual ultimate strength assessment of stiffened panels with locked cracks [J]. Thin-Walled Structures, 2014, 85: 398-410.

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图3 试件裂纹预制过程Fi­g.3 Machining process of crack on the specimen
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图2 电火花加工预制裂纹原­理Fig.2 Schematic diagram of electro-spark-erosion crack prefabrica­tion
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图5 落锤试验机Fig.5 The impact testing machine
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图6 变形测量装置Fig.6 The deflection measuremen­t set-up
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图4 裂纹预制完成后的试件­Fig.4 Specimen after crack prefabrica­tion
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