2019, Vol. 41
裂纹损伤作为船体结构的典型损伤形式之一，会导致结构的承载能力下降，严重危害舰船的安全性能。如果结构中的裂纹扩展到一定程度，将导致舰船结构的灾难性破坏[1]，造成人员伤亡和经济损失。据统计，在各种金属机械结构的断裂事故中，有80%源于疲劳断裂[2]。所以裂纹损伤的监测与识别工作对于保障舰船的可靠性、安全性尤为重要。
随着舰船结构健康监测系统的不断发展，结构损伤的识别需求越来越迫切。对于裂纹损伤识别的研究在桥梁等领域较为成熟，但对于舰船结构的裂纹损伤识别功能还有待进一步研究。
目前，结构损伤识别的方法[3]主要可以分为：静力参数识别方法，动力参数识别方法，智能方法。其中多以振型，频率，模态曲率，能量传递比等作为识别参数。但由于噪声、结构的复杂性等因素的影响，使得实际的工程应用较少[4]。而其中以应力应变响应作为特征参数，具有对于结构局部特征变化敏感的特点[5]。
本文应用大型有限元分析软件，对含有初始裂纹的船体典型结构进行仿真计算，以应力响应作为特征参数，开展不同长度、位置的穿透裂纹对典型船体结构的影响规律研究，为裂纹的损伤识别提供依据。
1 计算模型对于连续船体结构，船体板一般由骨架进行加强[6]。本文以加筋钢板为研究对象，进行数值模拟分析，如图1所示。其中，相关尺寸参数见表1。
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图 1 加筋板模型示意图 Fig. 1 Schematic diagram of stiffened plate |
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表 1 模型尺寸参数 Tab.1 The parameters of model |
随着技术的不断发展，现代舰船大多采用厚度较小的高强度钢，其中穿透裂纹较为常见。本文主要分析含有垂直于加筋板的中心穿透裂纹以及垂直于加筋板的边缘穿透裂纹2种模型，来确定不同裂纹尺寸、位置与加筋板的应力响应之间的规律。
2 仿真模型及计算随着有限元分析软件的不断发展，对于裂纹的仿真水平日益提高，为裂纹的研究分析提供了基本的技术保障。本文使用大型有限元仿真分析软件，结合舰船实际，对舰船典型结构进行建模分析。
其中，以十字加筋板为研究对象，赋予有限元模型相关材料属性，取杨氏模量E=210 GPa，泊松比γ=0.3。无裂纹完整加筋板与含裂纹损伤的加筋板有限元模型如图2和图3所示。
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图 2 无裂纹完整模型 Fig. 2 Complete model without cracks |
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图 3 含裂纹模型 Fig. 3 Model with crack |
对模型进行加载，综合分析，假设模型受到轴向拉应力P。而本文只考虑应力场沿船长方向的单向应力状态，所以设定垂直裂纹的2条边界为自由边界，不作约束。
考虑到结构本身存在缺陷，或疲劳引起损伤等情况，结合船体典型结构的实际，本文分别就存在不同位置裂纹的模型进行仿真计算。设裂纹长度为B/20，由于模型对称的原因，只需计算模型一半即可。设裂纹分别位于板的不同位置，计算对应工况的应力分布情况。
设板的一角为坐标原点，沿板宽方向为X轴，板长方向为Y轴，如图4所示。以裂纹中心确定裂纹的相对位置，则仿真计算工况如表2所示。
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图 4 坐标系示意图 Fig. 4 Schematic diagram of coordinate system |
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表 2 计算工况 Tab.2 Calculation of working conditions |
本文通过有限元分析软件针对表2中的计算工况，对典型船体结构模型进行了仿真计算，得到含有不同位置裂纹时的应力分布情况。
图5为工况1、工况4、工况7的应力分布云图。根据云图可知，在裂纹附近，应力沿纵向、横向分别呈马鞍状分布，远离裂纹部位应力变化不大。
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图 5 工况1、工况4、工况7的应力分布情况图 Fig. 5 The distribution of stress in working condition 1, 4, 7 |
用矩形网格将加筋板平均分开，沿预先设定好的6条路径，取各节点处的应力值进行对比分析，图6为节点示意图。
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图 6 节点示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the nodes |
通过仿真结果分析含边裂纹、中心裂纹的十字加筋板中裂纹与应力之间的规律。
设不含裂纹的完整加筋板在同等条件下，应力值为σ0，含有裂纹的仿真应力值为σ1，则裂纹引起的应力改变情况，可以通过应力改变值Δ反映。加筋板各工况应力变化情况如图7所示。
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图 7 应力变化分布结果图 Fig. 7 Results of distribution of stress variation |
| $\Delta {\rm{ = }}{\sigma _1} - {\sigma _0}\text{。}$ | (1) |
根据图7结果分析可知，裂纹附近产生应力发生突变，沿单向力方向（纵向），由裂纹向两端，应力值先增大再减小，呈马鞍状分布。沿垂直于单向力的方向（横向），距离裂纹越远，突变幅值越小，但突变范围变大。对于整体来说，超出一定范围，加筋板应力水平基本保持不变。
当保持裂纹横向位置不变，只改变裂纹纵向位置时，例如工况1～工况3。裂纹周围应力分布情况基本保持一致，不因纵向位置的改变而发生明显改变。
当保持裂纹纵向位置不变，改变其横向位置时，例如工况1、工况4、工况7所示。裂纹越靠近边界，突变程度越大。
4 结 语本文利用大型有限元分析软件，对舰船典型船体结构—十字加筋板进行有限元仿真计算。在保证其他参数一致时，改变裂纹位置，计算得到9种工况下模型的应力分布情况。通过对仿真计算结果的对比分析，得到以下结论：
1）本文通过有限元仿真计算，模拟船体典型结构的应力响应情况，通过分析对比，在一定范围内，应力响应能很好地反映裂纹情况，作为裂纹损伤识别的参数有实际意义；
2）在裂纹产生位置，会导致结构应力发生突变，在一定范围内呈鞍状分布，超出范围，应力变化水平较小；
3）沿单向拉力的受力方向，裂纹位置的改变对应力分布情况的影响较弱；
4）应力响应随着裂纹位置在垂直于拉力方向的改变而变化，越靠近边界，变化越剧烈，危害越大。
本文研究了不同位置裂纹对于舰船典型船体结构的影响规律，为裂纹损伤识别的特征参数选取以及识别准则等提供依据。
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