一种联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法及试验装置

1.本发明涉及船舶工程结构强度领域，尤其涉及一种联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法及试验装置。


背景技术：

2.集装箱船在静水航行时通常处于中拱状态，中拱状态下将对船底板产生纵向压缩载荷。此外，由于吃水会对船底板产生侧向压力。侧向压力会导致船底板弯曲变形，从而会产生额外的纵向及横向压缩载荷。因次，船底板结构实际往往同时承受双轴压缩和侧向压力的联合作用。加筋板结构是船体板结构的基本单元，因次评估加筋板在双轴压缩和侧向压力联合作用下的极限强度对船体结构的安全性至关重要。
3.模型试验是理论分析及数值计算方法的最有效的验证手段。模型试验能够揭示结构的失效机理，促进数值计算及理论分析的进一步发展和完善，是现阶段结构安全性设计及强度评估的一个重要环节。
4.考虑到试验成本及试验室的空间条件限制，往往采用缩尺模型进行试验，但要求缩尺模型试验能够反映原型的破坏机理。现有的技术中，联合载荷作用下的加筋板极限强度的缩尺模型试验在等效设计以及载荷施加等工作中均存在诸多问题及挑战。常规的加筋板极限强度相似理论现有技术往往只适用于单轴压缩下加筋板的极限强度试验，而忽略了侧向载荷在缩尺模型中的设计方法，从而不一定能保障缩尺模型在施加联合载荷作用后的破化模式与原型在联合载荷作用下的破坏模式一致；在双轴载荷联合作用时，需要保证结构的双轴加载位移不互相影响。此外需要保障液压油缸始终承受轴向载荷，避免加载偏心导致结构破损。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法及试验装置，以解决上述问题，解决了基于破坏模式的联合载荷作用下加筋板缩尺模型试验方法、保障了结构的位移不受互相垂直的双轴压缩载荷的影响，从而实现了对船体板在联合载荷作用下极限强度分析，为结构设计提供有力的技术支撑。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法，包括如下步骤：
8.步骤一、获取原型模型和试验模型之间的相似关系；
9.步骤二、确定所述原型模型和试验模型缩比关系，并根据所述相似关系设计缩尺模型；
10.步骤三、设计所述原型模型尺寸参数，并计算原型尺寸参数下的无因次极限应力；
11.步骤四、根据所述原型模型和试验模型的缩比关系、相似关系设计试验模型，通过有限元计算所述试验模型的极限应力，保证所述试验模型与所述原型模型在相同破坏模式下的相对极限应力；
12.步骤五、比较所述试验模型与所述原型模型的相对极限应力，调整所述试验模型，使所述试验模型满足条件；
13.步骤六、制作所述试验模型并扫描所述加筋板的初始变形；
14.步骤七、对所述试验模型的材料进行拉伸试验，获取材料的应力-应变曲线；
15.步骤八、将所述试验模型进行双轴加载，记录所述试验模型变化数据；
16.步骤九、将所述步骤六中的所述加筋板初始变形和所述步骤七中的应力-应变曲线，利用有限元计算出所述试验模型的无因次的相对极限应力；
17.步骤十、根据所述原型模型和试验模型的相似关系，确定所述原型模型在载荷作用下的极限强度。
18.优选的，所述步骤一中所述相似关系包括缩尺模型的柔度系数与原型的柔度系数一致、施加在缩尺模型上的侧压的无因次量与施加在原型上的侧压的无因次量一致。
19.优选的，所述步骤三中的所述原型模型尺寸参数包括梁柱屈曲、整体屈曲、侧倾屈曲、腹板屈曲。
20.优选的，所述步骤五中所述试验模型满足条件为：结果相差超过10％则重新调整缩尺模型的尺寸，直到试验模型与缩尺模型的相对极限应力误差小于10％。
21.优选的，所述步骤八中的所述试验模型变化数据包括：应力变化规律、中心变形的位移变化规律、试件的轴线变形规律。
22.一种实施上述技术方案所述联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法的试验装置，包括支架，所述支架为直角四边形结构，所述支架内设有试验平台，所述支架其中一个内侧壁固定连接有第一承载块，与所述第一承载块相垂直的一侧设有第二承载块，所述第二承载块与所述支架内侧壁固定连接，所述试验平台顶面滑动连接有第一加载块和第二加载块，所述第一加载块、所述第一承载块的连线与所述第二加载块、所述第二承载块的连线相垂直，所述第一加载块远离所述第一承载块的一侧设有纵向加载部，所述第二承载块远离所述第二加载块的一侧设有横向加载部，所述横向加载部、纵向加载部分别固定连接在所述支架内壁上。
23.优选的，所述试验平台上固定连接有第一固定板、第二固定板、第三固定板，所述第一固定板、第三固定板相对的内侧分别固定连接有纵向滑轨，所述第一加载块两侧与所述纵向滑轨滑动配合，所述第二固定板、第三固定板相对的内侧分别固定连接有横向滑轨，所述第二加载块与所述横向滑轨滑动配合。
24.优选的，所述第一加载块、第一承载块相对的内侧或第二承载块、第二加载块相对的内侧固定连接有试样承托架，所述试样承托架为两个对称设置的角钢。
25.优选的，所述支架包括第一横向支架、第二横向支架、第一纵向支架、第二纵向支架，所述第一纵向支架、第二纵向支架平行设置，所述第一横向支架固定连接在所述第一纵向支架、第二纵向支架内侧一端，所述第二横向支架固定连接在所述第一纵向支架、第二纵向支架内侧另一端，所述第一横向支架、第二横向支架垂直于所述第一纵向支架。
26.本发明具有如下技术效果：
27.本发明结构紧凑、布局合理，能够有效的实现施加双轴压缩载荷及侧向压力。通过两个相互垂直的轴向加载对加载块施加集中载荷从而均匀的传递双轴载荷，通过覆盖沙袋并施加砝码实现均匀的加载侧向压力，结合位移及变形传感器，实现加筋板的缩尺模型在
三向载荷联合作用下的极限强度试验，进而获得原型在三向载荷共同作用下的极限强度，为加筋板的结构设计提供技术支持。该试验装置可广泛用于三向载荷共同作用下的加筋板的极限强度试验。
28.与试验试件纵向边缘相连的辅助工装(方钢)的长度要求超过试件横向边缘增加辅助工装后的宽度，从而尽量减少两个相互垂直方向载荷的加载冲突。增设的加载块及滑轨块能够有效实现轴向均匀加载且不偏心。增设的沙袋能够有效实现侧压加载均匀。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明装置的结构示意图；
31.图2为图1的主视图；
32.图3为图1的左视图；
33.图4为试件与加载块的连接局部示意图。
34.其中，1、第一承载块；2、第一加载块；3、第二承载块；4、第二加载块；5、第一固定板；6、第二固定板；7、第三固定板；8、第一横向支架；9、第二横向支架；10、第一纵向支架；11、第二纵向支架；12、横向加载部；13、纵向加载部；14、试样；15、试验平台；16、试样承托架。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.参照图1-4所示，本发明提供一种联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法，包括如下步骤：
38.步骤一、基于破坏模式相同以及相对极限应力相同的相似原理，获取原型模型和试验模型之间的相似关系；相似关系包括缩尺模型的柔度系数与原型的柔度系数一致、施加在缩尺模型上的侧压的无因次量与施加在原型上的侧压的无因次量一致。联合载荷下的相似原理包括：缩尺模型的柔度系数与原型的柔度系数一致、施加在缩尺模型上的侧压的无因次量与施加在原型上的侧压的无因次参数一致；在缩尺模型设计中同时考虑了影响板的极限强度相关的柔度系数以及影响侧向压力作用效果的无因次量，使得缩尺模型在联合载荷作用下的极限强度与原型保持一致。
39.步骤二、确定原型模型和试验模型缩比关系，并根据相似关系设计缩尺模型；
40.步骤三、设计原型模型尺寸参数，并计算原型尺寸参数下的无因次极限应力；原型
模型尺寸参数包括梁柱屈曲、整体屈曲、侧倾屈曲、腹板屈曲。分别设计出现梁柱屈曲、整体屈曲、侧倾屈曲、腹板屈曲的原型尺寸并利用有限元计算相应的无因次的极限应力。
41.步骤四、根据原型模型和试验模型的缩比关系、相似关系设计试验模型，通过有限元计算试验模型的极限应力，保证试验模型与原型模型在相同破坏模式下的相对极限应力；
42.步骤五、比较试验模型与原型模型的相对极限应力，若结果相差超过10％则重新调整缩尺模型的尺寸，直到试验模型与缩尺模型的相对极限应力误差小于10％；
43.步骤六、制作试验模型并扫描加筋板的初始变形；
44.步骤七、对试验模型的材料进行拉伸试验，获取材料的应力-应变曲线；
45.步骤八、将试验模型进行双轴加载，记录试验模型变化数据；试验模型变化数据包括：应力变化规律、中心变形的位移变化规律、试件的轴线变形规律。
46.步骤九、将步骤六中的加筋板初始变形和步骤七中的应力-应变曲线，利用有限元计算出试验模型的无因次的相对极限应力；
47.步骤十、根据原型模型和试验模型的相似关系，确定原型模型在载荷作用下的极限强度。
48.基于破坏模式相同以及极限强度相同的相似原理，原型和试验模型需要满足以下柔度系数相同：
[0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055]
其中：β
p
为板的柔度系数，b
p
为板格宽度，t
p
为带板厚度，λ
ov
为整体屈曲的柔度系数，σ
ov
为整体弹性屈曲应力，λc为梁柱屈曲柔度系数，σ
ec
为梁柱屈曲应力，βw为腹板屈曲柔度系数，bw为腹板宽度，tw为腹板厚度，λ
t
为侧倾屈曲柔度系数，σ
et
为筋的扭转屈曲应力，q
p
为侧压的无因次量。
[0056]
一种实施上述技术方案联合载荷作用下加筋板极限强度试验方法的试验装置，包括支架，支架为直角四边形结构，支架内设有试验平台15，支架其中一个内侧壁固定连接有第一承载块1，与第一承载块1相垂直的一侧设有第二承载块3，第二承载块3与支架内侧壁
固定连接，试验平台15顶面滑动连接有第一加载块2和第二加载块4，第一加载块2、第一承载块1的连线与第二加载块4、第二承载块3的连线相垂直，第一加载块2远离第一承载块1的一侧设有纵向加载部13，第二承载块3远离第二加载块4的一侧设有横向加载部12，横向加载部12、纵向加载部13分别固定连接在支架内壁上。
[0057]
进一步优化方案，试验平台15上固定连接有第一固定板5、第二固定板6、第三固定板7，第一固定板5、第三固定板7相对的内侧分别固定连接有纵向滑轨，第一加载块2两侧与纵向滑轨滑动配合，第二固定板6、第三固定板7相对的内侧分别固定连接有横向滑轨，第二加载块4与横向滑轨滑动配合。
[0058]
进一步优化方案，第一加载块2、第一承载块1相对的内侧或第二承载块3、第二加载块4相对的内侧固定连接有试样承托架16，试样承托架16为两个对称设置的角钢。
[0059]
进一步优化方案，支架包括第一横向支架8、第二横向支架9、第一纵向支架10、第二纵向支架11，第一纵向支架10、第二纵向支架11平行设置，第一横向支架8固定连接在第一纵向支架10、第二纵向支架11内侧一端，第二横向支架9固定连接在第一纵向支架10、第二纵向支架11内侧另一端，第一横向支架8、第二横向支架9垂直于第一纵向支架10。
[0060]
将试样14安装在第一承载块1、第一加载块2、第二承载块3、第二加载块4之间，横向加载部12、纵向加载部13可以采用液压油缸，通过横向加载部12、纵向加载部13分别对试样14进行双轴加载。将沙袋布置在试样14顶面上，再将提供相当侧载的砝码布置在沙袋表面从而实现侧压的加载。通过监测试验模型的各个测点应变，得到在双轴加载状态下的应力变化规律。通过位移传感器固定在试样14表面，监测得到骨材、带板中心变形相对较大位置的位移变化规律。通过记录加载系统的轴向加载载荷及试件的轴线变形规律，绘制相应的载荷位移曲线并得到试件的极限强度。最后将试件的极限强度转换为无因次的相对极限应力。
[0061]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0062]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。