关于循环载荷下开裂未加固和加固板材极限强度的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental investigation on the ultimate strength of cracked unstiffened and stiffened plates under cyclic loading

船结构极限强度研究|循环载荷|疲劳裂纹扩展|加强板|实验研究|累积塑性变形|预测公式|极限坍塌行为|EH36钢|损伤演化

　　本研究旨在探讨船舶结构在循环载荷作用下的最终坍塌行为。为了实现这一目标，研究者进行了实验研究，以考察未加强板和加强板在同时考虑疲劳裂纹扩展和累积塑性效应下的最终强度衰减情况。总共设计并制造了21个试件，其中包括11个未加强板试件和10个加强板试件，所有试件的初始裂纹长度相同。此外，研究团队巧妙地设计了一套测试设备，用于评估在循环载荷作用下的最终强度。通过改变循环载荷的大小和裂纹扩展的长度，研究者明确了加强板和板上裂纹长度之间的关系。研究还推导出预测公式，用于估算在循环载荷作用下裂纹未加强板和加强板的最终强度值，并通过与实验和数值结果的对比验证了预测公式的准确性。这有助于进一步探索在恶劣海况下裂纹船舶结构的最终坍塌行为。

船舶结构的最终强度是评估其安全性的基本且关键指标。深入掌握船舶结构的最终坍塌行为不仅是评估和保障船舶结构安全的迫切需求，也是现有学术研究在最终强度评估方面的重要突破。在过去几十年中，针对船舶结构在单调载荷作用下的最终强度已有大量研究。例如，Cui等人（2002）使用简化的分析方法评估了矩形板在组合载荷下的最终强度，考虑了初始挠度和残余焊接应力的影响。Ghavami和Khedmati（2006）对两组纵向加强板在平面载荷下的最终强度进行了测试，研究了其屈曲和屈曲后失效行为。Paik等人（2008a, 2008b）开展了一系列关于船体板和加强板最终强度的研究，主要考虑了轴向压缩和侧向压力，后者模拟了外部静水压力。这两种载荷代表了甲板和底部结构中加强板所承受的主要力。在他们的研究中，Paik等人总结了六种典型的加强板坍塌模式：整体屈曲坍塌、局部板的双向压缩型坍塌、梁柱型坍塌、加强板腹板屈曲、加强板屈曲和整体屈服，如图1所示。Xu和Soares（2013a, 2013b）对宽加强板在单调载荷下的最终强度进行了实验研究和数值模拟，通过对比两种方法的结果，他们展示了数值计算的可靠性。Ma等人（2023）通过改变加强板的数量和缩尺比例，研究了在组合纵向压缩和侧向压力作用下的缩尺加强板模型的最终坍塌行为。他们的研究发现，缩尺加强板的坍塌模式取决于其两个细长比。

长期以来，船舶结构的最终强度研究主要依赖于静态最终强度的准则，即船体主梁的整体失效是由于一次性的极端外部载荷导致的。然而，有研究表明，船舶主梁在服役过程中主要承受的是波浪载荷，且在恶劣海况下，船体主梁通常处于交替循环载荷的作用下；因此，循环载荷下的最终强度评估更符合实际中船体主梁经历的重复波浪弯矩的客观现实。早在1990年代，Huang等人（1996）就迫切建议开展船舶结构的循环塑性坍塌相关研究，并认为循环最终强度是静态最终强度的发展。直到最近，循环最终强度的概念才开始在学术界广泛讨论和深入研究。Cui和Yang（2018）对船舶板在单调/循环压缩下的最终强度进行了比较分析，并建立了船体板在循环压缩下的卸载-再加载路径。Li等人（2019, 2020）对含有裂纹的船体板和加强板的结构元素进行了逐步坍塌分析，类似的操作在船体主梁上也成功实施。Liu和Guedes Soares（2020）使用显式LS-DYNA求解器研究了船体主梁在断裂失效后的循环最终强度。他们在研究中采用的非线性有限元模型忽略了初始缺陷。Paik等人（2020）对全尺寸加强板在重复压缩载荷下的塑性坍塌进行了实验测试。他们发现，当没有产生疲劳裂纹时，重复压缩载荷对船体加强板的最终强度影响不大。然而，由于之前的测试中未考虑拉伸载荷，且仅通过施加压缩载荷难以产生裂纹甚至断裂，因此需要进一步研究疲劳裂纹的影响。Deng等人（2022）通过缩尺测试和有限元分析，对箱形梁的失效机制进行了深入研究。分析结果表明，由于循环弯曲作用下的持续塑性积累，最大承载能力会持续下降。Cui和Ding（2022）设计了五种不同幅度的循环载荷，以研究其对加强板塑性变形积累速率和裂纹起始位置的影响。他们发现，与静态最终强度相比，断裂后的最终强度下降了24%–55%。这表明循环载荷引起的塑性积累会严重削弱最终强度。

此外，船舶结构在恶劣海况下，由于波浪载荷的反复作用，极易产生疲劳损伤，而疲劳损伤通常以裂纹的形式表现（Xu等人，2014）。疲劳裂纹无疑会影响船舶结构的最终坍塌行为。由于裂纹破坏了船舶结构的几何连续性，使得通过理论分析解决其失效机制变得困难。因此，对含有裂纹的船舶结构的最终强度分析主要采用有限元方法。Bayatfar等人（2014）研究了在轴向压缩载荷作用下含有裂纹的加强板的屈曲后性能，发现当裂纹位于屈曲波的波谷或波峰时，对结构屈曲强度的影响更为显著。Margaritis和Toulios（2014）通过引入人工裂纹损伤，研究了在单轴压缩作用下含有裂纹的加强板的最终和坍塌行为。他们的研究结果表明，过大的裂纹长度会显著降低最终承载力，并可能改变坍塌模式，尽管研究中并未考虑裂纹的扩展过程。Ao和Wang（2016）研究了含有一定长度预置裂纹的损坏主梁的扭转失效模式，并考察了加强板刚度和裂纹长度的影响。Yu等人（2018）使用商业软件ANSYS，对具有不同裂纹长度、位置和角度的含有裂纹的加强板进行了最终强度分析。Shi等人（2019）率先在含有裂纹的加强板的最终强度分析中确定了裂纹的扩展过程。他们发现，预置裂纹在结构坍塌之前不会在轴向压缩下扩展，这一点通过比较应力强度因子与其临界值得到了验证。Feng等人（2021）通过施加正弦循环载荷，研究了含有裂纹的加强板的疲劳强度退化和裂纹生长行为。实验结果表明，加强板腹板上的裂纹生长速率显著低于附板上的裂纹生长速率；附板与加强板之间的裂纹扩展长度具有高度相关性。这一研究成果对后续分析具有重要意义。

在上述文献中，大多数研究主要集中在完整船舶结构的循环最终强度上。然而，当涉及到含有裂纹的船舶结构时，相关研究的数量则大大减少。更值得注意的是，如果考虑到裂纹扩展的影响，相关研究的数量更是极为有限。在之前的研究中（Hu等人，2022a, 2022b, 2022c），研究者对含有裂纹的船体基本结构（包括船体板、加强板和箱形梁）进行了数值研究，考虑了裂纹扩展的影响。随后，对含有裂纹的船舶结构在循环载荷下的最终强度进行了逐步实验研究。有关含有裂纹的板和箱形梁的实验研究可以在Xia等人（2025）和Hu等人（2025）的研究中找到，而本文则补充了关于含有裂纹的加强板的研究。在本研究中，进行了实验研究以探讨含有裂纹的加强板的最终坍塌行为及其衰减规律。此外，还提出了一种创新的残余最终强度评估方法，该方法以循环次数（转化为服役寿命）作为关键特征参数。这种方法为在恶劣海况下含有裂纹的船舶结构的最终强度实验评估提供了一种实用的解决方案。

本研究所采用的材料为EH36钢，这种钢材在重工业特别是船舶制造业中被广泛应用。为了获得材料的性能参数，研究者在疲劳试验机的加载框架内夹紧试件的两端，进行材料拉伸试验，如图2a所示。通过疲劳试验机施加拉伸载荷，使试件逐渐伸长直至最终断裂。实验过程中记录了试件的工程应力-应变曲线，用于分析材料的力学性能。在本研究中，采用了Ramberg-Osgood本构模型，该模型能够有效描述材料的非线性特性，用于数值模拟。Ramberg-Osgood关系的材料参数（α = 12.03和n = 5.14）来源于真实的应力-应变曲线，如图9所示。通过该模型，可以更准确地预测材料在不同载荷条件下的行为，从而为后续的结构分析提供理论依据。

船舶结构不可避免地受到初始缺陷的影响，这些缺陷来源于制造过程中的不完善，如焊接、加工或装配误差等。初始缺陷的存在会显著影响结构的承载能力和失效模式。因此，在实验研究中，必须考虑初始缺陷的影响，以确保实验结果的准确性和代表性。通过引入初始缺陷，可以更真实地模拟实际船舶结构的状况，从而更好地评估其在循环载荷下的最终强度。此外，初始缺陷还可能影响裂纹的扩展路径和速率，因此在研究裂纹扩展行为时，必须同时考虑初始缺陷的影响。

在进行未加强板和加强板的循环最终强度测试之前，有必要获取其在单调载荷下的最终强度，以确定循环载荷的幅度范围，从而避免循环载荷过大（导致循环次数不足和测试数据点过少）或过小（导致循环载荷为高周疲劳载荷，与实际海况中的低周疲劳载荷不一致）。为此，研究者使用了UP0和STP0试件进行相关测试。这些试件的初始裂纹长度相同，且在实验过程中，裂纹扩展的长度和速率被精确控制。通过对比不同循环载荷条件下的实验结果，可以更清楚地了解裂纹扩展对最终强度的影响规律。

本研究的实验结果表明，循环载荷的幅度对裂纹扩展速率具有显著影响。然而，一旦预置裂纹的最终长度被确定，其对试件最终强度的影响则相对较小。因此，在评估含有裂纹的船舶结构的最终强度时，需要综合考虑循环载荷的幅度和裂纹扩展的长度。此外，研究还发现，裂纹扩展的长度与试件的最终强度衰减存在高度相关性。这表明，在循环载荷作用下，裂纹的扩展不仅影响结构的承载能力，还可能改变其失效模式。

本研究的创新点在于提出了一种基于循环次数的残余最终强度评估方法。该方法通过将循环次数与结构的服役寿命进行关联，可以更准确地预测含有裂纹的船舶结构在长期服役过程中的强度变化趋势。这种评估方法不仅提高了实验研究的实用性，还为工程设计和安全评估提供了重要的理论支持。通过将循环次数作为关键特征参数，研究者能够更系统地分析裂纹扩展对结构强度的影响，从而为船舶结构在恶劣海况下的安全评估提供更科学的依据。

在实验研究过程中，研究者还对不同类型的裂纹扩展行为进行了详细分析。例如，裂纹可能在加强板的腹板或附板上扩展，而扩展路径和速率则受到循环载荷的大小、方向和频率的影响。通过改变循环载荷的参数，研究者能够更全面地了解裂纹扩展对结构强度的影响规律。此外，研究还发现，裂纹扩展的长度与结构的最终强度衰减存在高度相关性，这表明在循环载荷作用下，裂纹的扩展不仅影响结构的承载能力，还可能改变其失效模式。

本研究的实验结果还表明，含有裂纹的加强板在循环载荷作用下的最终强度衰减比未加强板更为显著。因此，在评估含有裂纹的船舶结构的最终强度时，必须同时考虑裂纹扩展和循环载荷的影响。此外，研究还发现，裂纹扩展的长度与结构的最终强度衰减存在高度相关性，这表明在循环载荷作用下，裂纹的扩展不仅影响结构的承载能力，还可能改变其失效模式。

通过本研究的实验和分析，研究者进一步揭示了循环载荷对含有裂纹的船舶结构的最终强度衰减机制。这些发现不仅为船舶结构在恶劣海况下的安全评估提供了重要的理论支持，还为相关工程设计和维护提供了实践指导。此外，本研究的实验结果表明，裂纹扩展对结构强度的影响是复杂且多方面的，需要通过系统的实验和数值模拟进行深入研究。

综上所述，本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，系统地探讨了含有裂纹的船舶结构在循环载荷下的最终坍塌行为及其衰减规律。研究结果表明，循环载荷的幅度和裂纹扩展的长度对结构的最终强度具有显著影响，而裂纹扩展的路径和速率则受到多种因素的共同作用。通过引入循环次数作为关键特征参数，研究者提出了一种创新的残余最终强度评估方法，为船舶结构在恶劣海况下的安全评估提供了更科学的依据。此外，本研究还发现，裂纹扩展对结构的最终强度衰减具有高度相关性，这表明在循环载荷作用下，裂纹的扩展不仅影响结构的承载能力，还可能改变其失效模式。这些研究成果对于进一步优化船舶结构设计、提高其在恶劣海况下的安全性具有重要意义。