加筋板极限强度非线性有限元分析中初始缺陷施加方法的比较研究及其对结构失效预测的影响

本文系统比较了非线性有限元分析（NFEA）中五种初始缺陷施加方法（特征值屈曲模态法、侧向压力法、叠加屈曲模态法等），通过实验数据验证发现一阶线性屈曲模态法在预测加筋板极限强度（ULS）方面兼具高效性与可靠性，为船舶结构失效分析提供了重要参考依据。

　　

Highlight

初始缺陷施加方法的比较研究

Description of the FEA models

本研究采用X. Kong等人（2020）公布的实验样本进行有限元建模，具体几何参数见图1和表1。其中b表示加筋间距，t为板厚，α为框架间距，r为回转半径。关键参数包括板 slender度β（公式1）、柱 slender度λ（公式2）和抗弯刚度比γ（公式3），σ_Y代表屈服强度，E为弹性模量。

Scaling of initial imperfections

初始缺陷主要分为四类：全局（柱屈曲）缺陷、板局部屈曲缺陷、加强筋腹板扭曲缺陷以及加强筋侧向扭转（tripping）缺陷（图3a-d）。缺陷幅值的标准化选取对准确触发非线性屈曲行为至关重要。

First buckling mode from linear buckling analysis

最简捷的缺陷施加方法是利用线性屈曲分析获得的一阶特征值屈曲模态（图4）。主流有限元软件（如本研究使用的FEMAP）支持直接将该模态形状按指定幅值映射到几何模型上，有效触发非线性屈曲响应。

Summary of results

通过对比五种缺陷施加技术的载荷-位移曲线（图16），发现基于一阶线性屈曲模态的方法在计算最大承载力时与实验数据偏差最小，且能保持较高计算效率。

Additional validation study

为验证一阶屈曲模态法的普适性，本研究增设盲测实验：采用独立实验样本进行预测性检验。结果显示该方法在未知样本中仍能准确预测加筋板的失效模式和极限强度。

Conclusion

本研究证实，尽管存在多种初始缺陷模拟技术，一阶线性屈曲模态法在保证计算精度的同时大幅降低建模复杂度，为船舶与工程结构的失效评估提供了高效可靠的解决方案。