（工程力学专业论文）基于散货船共同规范的船体结构板格屈曲强度直接计算研究.pdf

武汉理一l ：火学硕十学位论文 摘要 散货船共同结构规范于2 0 0 6 年4 月1r 作为i a c s 的统一规范生效。这是 国际造船界有史以来第一次在全球范围内统一船舶设计规范，旨在造出更安全 更牢固的新船。在共同规范中，极大地吸收了i a c s 成员的成功经验，增强了规 范的透明度，同时还增加了一些灵活性的条款，有利于各国造船业进行技术创 新。 强度是结构抵抗外力作用，保证结构安全正常地完成预定使命的能力。对 大多数结构来说，屈服强度计算是基本的必不可少的，而对某些受压或由高强 度材料制成的结构构件，屈曲强度计算比屈服强度计算更为重要。结构屈曲强 度是结构设计中的关键问题之一，它对保证结构的安全性和使用性起着至关重 要的作用。 随着现代力学、数学以及电子计算机技术的发展，有限元法无论是在理论， 还是在实际应用方面都己取得了巨大的进步，对结构进行有限元分析所需要的 成本也迅速减少。有限元法在船舶结构领域的应用最早始于2 0 世纪6 0 年代。 经过几十年的发展，有限元法已成为船体结构分析中必不可少的重要工具。 本文的主要内容包括： 1 论述了散货船共同结构规范有关屈曲强度直接计算的主要内容和基本 过程，包括船体结构有限元模型的选取和建立、边界条件的施加、计算工况的 确定、载荷的计算与施加、屈曲校核衡准等。 2 结合散货船共同结构规范的屈曲校核，详细研究了板的屈曲理论，包括 临界应力、屈曲系数、后屈曲、极限强度、折减因子等问题。 3 利用有限元软件m s c p a t r a n n a s t r a n 、c c s t o o l s 和c c s 屈曲插 件，依据共同规范和c c s 指南的要求，对某散货船进行了屈曲强度直接计算。 4 对按散货船共同结构规范和c c s 直接计算指南校核的不满足屈曲强度 的板格进行了加强，并与原船进行比较。 5 通过计算结果，分析比较了共同规范与c c s 指南在屈曲校核中的区别， 阐述了计算中可能存在的问题并提出合理意见。 关键词：散货船，共同结构规范，屈曲，有限元，直接计算 武汉理t 大学硕士学位论文 a bs t r a c t c o m m o ns t m c t u r a lr u l e sf o rb u l kc 硎e r si se 伍c i e n to na p r i lls t2 0 0 6 1 1 l i si s m e 丘r s tt i m et ou n i 匆m es h i pc o n s t n l c t i o nm l ef o ri n t 锄a t i o n a ls h i p b u i l d i n gc i r c l e s n e wm l e sa i ma ts a t i s 研n gw i m m er e q u i r e m e n to fb u i l d i n gs t r o n g e r ，m o r ed u r a b l e a l l ds u i t a b l es h i p c o m m o ns t r u c t u l - a lr u l e sa b s o r ba1 0 to fs u c c e s s 向le x p 嘶e l l c eo f m 锄b e r so ft h ei a c s ，a tt h es 锄et i m e ，s o m ef l e x i b l ea r t i c l e sa r ei n c r e a s e di nm e r u l e s s t r e n g mi saa _ b i l i t ym a ts m j c 舨lr e s i s te x t e n l a lf o r c ea n de n s u r em es t m c t u r a l c o m p l e t em es c h e d u l e dm i s s i o n sw i t h o u ta c c i d e n t f o rm o s ts t m c t i l r c s ，t h e ) ，i e l d s 仃i m 西hc a l c u l a t i o ni st h eb a s i ce s s e n t i a l ，h o w e v t h eb u c l ( 1 i n gs 慨l 舀hc a i c u l a t i o ni s m o r ei m p o r t 锄tt h a l lm e 姐e l ds 仃e n g t hc a l c u l a t i o nf o rs o m e 鳓m 删s u b j e c t e dt o p r e s s u r eo r b em a d eo ft h eh i 曲一s t r e n g t hm a t e r i a l s 1 1 1 eb u c k l i n gs 慨g t hi sm ek e y i s s u ei ns t n j c t u 】r a ld e s i 印，i tp l a y sav i t a lr 0 1 et 0e n s u r et h es a f e t y 锄du s eo fs 饥l c 劬隰1 w i t hg r e a td e v e l o p m e n t so fm o d 锄m e c h a n i c s ，c o m p u t a t i o n a lm a t h e m a t i c s 趾d e l e c 咖n i cc o l p u t e rt e c l l i l o l o 鼢f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sm a d er a p i dp r o 黟e s si i l b o t l lm e o d ，锄dc o m p u t a t i o n a lt e c h n o l o g y c o s t so np e r f o m l i n gf e aa r er e d u c e d s h 印e l y f i n i t ee l e m e i l tm e t h o di sa p p l i e di nt h ef i e l do fs h i ps 仃u c t l l r e sb e g a i li nn l e t h ef i r s t6 0y e a r so f2 0 t hc e n t u 够w ：i t lt h ed e v e l o p m e n to fs e v e r a ld e c a d e s ，f i n i t e e l e m e n tm e m o dh a sb e c o m ea i li m p o r t a n ta i l di n d i s p e n s a b l et o o lo nt h ea i l a l y s i so f h u l ls 仃u c t i l l e t h em a i l lc o n t e n t sa 1 ea sf b l l o w s ： 1 d i s c u s st h eb a s i cp r o c e s so fc s rd i r e c tc 2 l l c u l a t i o n ，i n c l u d i i l gf em o d e l i n g o f s _ h i ps 饥j c t l l r e s ，d e a l i n g 、i t hm eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，c h o o s i n g m el o a d i n g c o n d i t i o n ，c a l c u l a t i n gt h el o a d ，b u c “i n g 嘶t 嘶aa l l ds oo n 2 d i s c u s sp l a t eb u c k l i n gt h e o 吼 i n c l u d i n g t l l ec r i t i c a l s t r e s s ， b u c l ( 1 i n g c o e 伍c i e n t ，p o s t - b u c k l i n 舀u i t i m a t es 仃e n 舀h ，r e d u c t i o nf a c t o r sa i l do m e ri s s u e s ，b 嬲e d 0 nb u c k l i n gc h e c ko fc s & 3 u t i l i s e dm s c p a t 砒n n a s t 黜n ，c c s t o o l sa n dc c sp l u 哥i 1 1 ，b u c h i n g s 慨g md i r e c tc a l c u l a t i o no fab u l kc a 币e rh a sb e e nd o n ea c c o r d i n gt 0c s r b ca n d i i 武汉理工大学硕士学位论文 c c sm l e s 4 c h e c k e du n d e rm e 觚om l e s ，t h ep l a t ep a i l e lm a td i s s a t i s 母m eb u c k l i n g s 臼e n 舀hi se n h a n c e d ，a n dc o i n p a r e dw i t hm eo r i 百n a ls h i p 5 t i 啪u 曲t l l er e s u l t s ，a l l a l y s e t h ed i f j 衙e i l c eo fc s r - b c锄dc c s r u l e s ，d e s 嘶b et h ep o s s i b l ep r o b l e l l l so fc a l c u l a t i o na i l d 百v er e a s o n a b l ea d v i c e s k e yw o r d s ：b u l kc a r r i e r c o m m o ns t m c t l l r a lr u l e s ，b u c k l i n g ，f e m ，d i r e c t c a l c u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ： 日期： 武汉理下人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景、目的和意义 散货船是上世纪5 0 年代诞生的一种专门从事散装货物运输的船舶。它们包 括矿砂船、运煤船、散粮船、散装水泥船以及近来发展的兼用船等。散货船一 般为单甲板、尾机型船。现代散货船都采用尾机型，这样可取得中部方整的货 舱，提高容积利用率；有利于舱口布置，提高装卸效率；有利于结构的连续性 和工艺性，提高纵向强度及材料的利用率。散货船一般依靠港口码头的专门设 备进行装卸作业，船上可不设嚣起货设备，这样可以降低船体重量，增加船舶 载重量。由于散货船货种单一，常常是单向运输，为了保证较好的适航性，必 须注意散货船的压载航行状态。一般散货船的压载舱容都比较大，常达到其载 重量的3 0 5 0 ，对于一些浅吃水船，甚至可达9 0 以上。除了一般的压载水舱 布置外，散货船还常常设有底边舱和顶边舱作为压载舱，设置舷部顶边舱是专 用散货船独有的特点。 散货船自诞生之同起，总体势头发展强劲，在国际航运业中扮演了极其重 要的角色。散货船为世界三大主流船型之一，其数量仅次于油船，占商船中的 第二位。在1 9 6 0 1 9 9 0 年的3 0 年间，散货船数量增长了9 8 倍，载重吨数增长 了2 7 倍，1 9 9 0 年散货船保有量达5 0 8 7 艘、2 4 2 5 5 5 万载重吨。据英国劳氏船级 社统计，2 0 0 3 年底时世界散货船保有量为5 8 8 8 艘、3 0 7 1 1 万载重吨，平均船龄 为1 4 5 年。在世界上，散货船运输占货物运输的3 0 以上；在国内，散货运输 约占货运量的4 0 ，日益发展的散货船队在能源运输、国际贸易中发挥着越来 越重要的作用，在国民经济发展中占有重要地位。 随着散货船在国际国内航运业中越来越广泛的使用，散货船的安全事故问 题也频繁发生，散货船的安全问题正得到世人的普遍关注。据统计，2 0 0 3 年， 全国运输船舶共发生水上交通事故6 3 4 起，其中散、杂货船共发生事故2 5 0 起， 占事故总量的3 9 4 ；2 0 0 4 年，全国运输船舶共发生水上交通事故5 6 2 起，其 中散、杂货船共发生事故1 9 8 起，占事故总量的3 5 2 ，给国家财产和人民生命 造成了巨大的损失【l 】。1 9 7 8 年2 0 0 3 年全世界散货船海难事故共丧生船员1 2 3 2 人，9 0 以上是因船体结构破损所致。从中我们可以看出，通过研究改善散货船 武汉理i ：人学硕士学位论文 体结构，提高散货船的抗风险能力是一项十分艰巨而紧迫的任务。近十余年来 频繁发生的海难事故和国际海事组织r 益严格的环保要求是催生共同规范的主 要原斟2 1 。 为了顺应航运业的发展，国际船级社协会( i a c s ) 在2 0 0 5 年召开的第5 2 次理事会上，经全体成员表决通过了油船共同结构规范( j t p ) 【3 】和散货船共同 结构规范( j b p ) 【4 1 。共同结构规范( c s r ) 作为队c s 的统一规范于2 0 0 6 年4 月l 同正式生效并强制执行。共同规范的施行具有里程碑式的历史意义，这是 国际造船界历史上首次在全世界范围内将船舶设计规范统一起来，目的就是要 造出更加牢固安全的新船。许多代表当今船舶科学技术发展前沿的新技术、新 材料、新理念在规范的制定中都有所体现。共同规范以保证船舶营运时的安全 为出发点，要求船舶结构在整个2 5 年设计寿命内的基本安全得以保证，这是其 与现有的各船级社规范的最大区别。共同规范的推广使用，已是大势所趋不可 逆转，它的好处也是显而易见的：有效避免了队c s 成员之间的恶性竞争，降低 了船厂标准的选择余地，限制了船厂方面利用规范的差别进行市场竞价的做法； 另外，c s r 极大地借鉴并吸收了认c s 成员的成功经验，增强了规范的透明度， 同时还增加了一些有利于各国造船业进行技术创新的灵活性的条款。共同规范 是一把双刃剑，掌握它则能发展，反之则受其所制【2 】。共同规范的推出给中国造 船业带来了前所未有的机遇与挑战，在机遇与挑战面前只有积极参与研究，参 与竞争才能在未来实现我国的造船强国之梦。 散货船共同规范在船体结构方面有较大的变化，其关键技术要点主要包括 净尺度概念、设计载荷、船体梁极限强度、直接计算分析、疲劳、屈曲。本文 针对散货船共同规范中有关屈曲强度直接计算的内容展开研究，阐述了规范中 直接计算评估的主要内容和基本过程，在理论上研究了规范中用于屈曲校核所 用方法的理论来源，利用大型通用有限元软件m s c w 汀黜蝌n a s t 融n 【5 】和中 国船级社( c c s ) 开发的相关计算插件c c s t o o l s 对某散货船进行了屈曲强度 直接计算，通过有限元计算验证共同规范关于屈曲校核的正确性及其可靠性， 并与散货船结构强度直接计算分析指南【6 】做了对比说明。共同规范的推广及 使用目前仍处于一个过渡和调整时期，对规范的解读和完善也需要大量研究工 作和实践数据的支持，希望本文的工作能为以后的设计者和研究人员起到一定 的参考作用。 2 武汉理丁人学硕十学位论文 1 2 有限元方法及其应用 有限元方法( f e m ) 是在2 0 世纪5 0 年代兴起的一种数值计算分析方法， 是一门集应用数学、力学和计算机科学于一体的综合性交叉学科。它的兴起源 于工程实际的需要，对于大多数形状和边界条件复杂的工程问题，要想获得问 题的解析解是不可能的，实用上只能转而寻求各种近似的数值方法，而有限元 方法就是这样一种行之有效的数值分析方法。有限元法数学逻辑严谨，物理概 念清晰，能够灵活地处理和求解各种复杂问题，特别是它采用矩阵形式表达基 本公式，便于运用计算机编程运算。这些优点赋予了有限单元法强大的生命力。 有限单元法的基本思路是将结构物看成由有限个划分的单元组成的整体， 以单元节点的位移或节点力作为基本未知量求解。在使用有限元法对结构物进 行计算分析时，要将连续的结构物划分为若干个有限大小的子区域，即有限元 ( 单元) 。在对单元进行分析时，首先假定单元内部位移为节点位移的简单函数， 建立单元的节点位移和节点力之间的关系，其次将这些单元组合成为整体，引 入边界条件，通过求解整体节点力和节点位移关系的代数方程组，最终得到连 续体在离散点处未知量( 位移和应力) 的解答。 有限元法分析大体上有前处理、计算分析、后处理三个主要过程。在前处 理阶段中，构造计算对象的几何模型，划分有限元网格，生成有限元分析的输 入数据，建立有限元分析模型，这一步是有限元分析的关键。有限元分析过程 主要包括单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解方程等步骤，其中 单元分析是有限元分析的核心部分，有限元的理论思想主要体现在这一过程中。 有限元分析的后处理过程主要是对计算结果的加工处理及图形显示，它可以把 有限元计算得到的数据更直观的表达出来，以帮助设计者更好的分析判断结果 数据，如应力分布状况、结构变形状态等。 有限元法可分为线弹性有限元法和非线性有限元法两大类。线弹性有限元 法是非线性有限元法的基础，非线性有限元问题与线弹性有限元问题又存在很 大不同：( 1 ) 非线性问题的方程式非线性的，因此一般需要迭代求解；( 2 ) 非 线性问题不能采用叠加原理；( 3 ) 非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 以上三个方面的因素使非线性问题的求解过程比线弹性问题更加复杂、费用更 高且更具有不可预知性。 随着电子计算机的出现而迅速发展起来的有限元方法，已成为解决工程实 际问题的强有力的数值分析工具。有限元法在船舶结构领域的应用最早始于2 0 武汉理。l ：人学硕士学位论文 世纪6 0 年代。强度直接计算是当今进行船体结构评估最基本也是最可靠的方法。 有限元法在计算不规则、大型结构上的优势早已为世人所知，计算机科学技术 的飞速发展，极大提升了计算机的性能及工作效率，使得船体划分为有限元网 格进行直接计算有了更大的发挥空间。目前在船舶领域，舱段及全船有限元分 析已越来越普遍被船东及船级社在设计中多采用，尤其是由新材料建造的船舶 及新型结构的船舶设计，有限元分析更是设计者的重要依据之一【7 1 。在共同规范 推出以前，船舶结构的有限元分析是以各个船级社推出的直接计算指南为指导 的。虽然各家船级社由于技术水平及利益关系的差异，其相关的直接计算指南 在模型范围、载荷计算、边界处理及校核衡准等存在许多不同之处，但是，包 括共同规范在内目前在工程实际中船体的有限元分析基本上还是采用的线弹性 有限元方法。 由于非线性有限元方法求解问题的复杂性和高消耗性，目前在船舶领域其 更多的是被用在船体结构极限强度的研究中。例如a n l l a s h i 和m o a n 【8 】【9 】利用非线 性有限元方法分析了一艘好望角型散货船在隔舱装载状态下的极限强度。p a i k 【1 0 】 利用非线性有限元方法对一艘按共同规范设计的a f r a m a x 型油轮的甲板和船 底位置加筋板进行极限强度评估，并与按其它规范设计的同类船型进行了比较。 滕晓青，李润培【l l 】考虑几何和材料非线性，采用通用非线性有限元程序a b a q u s 对散货船槽型舱壁的极限强度进行了研究。使用非线性有限元法对结构进行分 析，同时考虑几何和材料非线性的影响更能反映结构真实的受力及变形状态， 有利于对结构进行更加准确的设计和评估，非线性有限元法的应用也将是今后 发展的一个重要趋势。 1 3 船体板屈曲研究概述 强度是结构抵抗外力作用而不被破坏，保证结构安全正常地完成预定使命 的能力。结构要按照预定设计功能工作，必须保证其在各种外载荷的作用下构 件不破坏，不产生大的变形。对大多数结构来说，屈服强度计算是基本的和必 不可少的，而对某些受压或由高强度材料制成的结构构件，屈曲强度计算比屈 服强度计算更为重要。结构屈曲强度是结构设计中的关键问题之一，它对保证 结构的安全性和使用性起着至关重要的作用。屈曲问题是要找出外部作用力与 结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，即变形丌始急剧增长的状态，从而设 法避免进入该状态【1 2 】。 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 加筋板是组成船体板的基本结构形式，当所受的外载荷达到一定值时，加 筋子板的破坏以及整体加筋板格的失稳将导致船体的最终破坏【i 引。加筋板是一 种板和梁相耦合的结构，加上其可能存在的复杂几何形式，给问题的求解带来 了很大的困难。在较早期的研究中，m a n s 0 0 1 4 1 、t r o i t s k ，1 5 】、b m s h 【1 6 】将加筋板 当作正交异性板来研究其整体屈曲行为，k o i t e r 和p i 鳃a t a r 0 【1 7 】、t v e r g a a r d 【1 8 】以 及s 矗n i v a s a l l d 【1 9 】等用板条理论分析了加筋板介于整体屈曲和局部屈曲之间的非 线性交互式屈曲，这些方法只能分析单向等跨均匀加筋的情况。s t e 铋【2 0 】采用离 散的加筋模型，运用能量原理来分析单向等跨加筋板的屈曲及后屈曲行为，“ l o n g - ”a i l 和p e t t 一2 1 】用能量法分析了单向加筋板屈曲的临界应力。 加筋板通常受轴压、剪切和侧压等载荷作用，按照船舶结构的设计理念， 扶强材的抗屈曲能力应大于板格，因此，在总体屈曲发生之前，加强筋之间的 板格常常会出现局部屈曲，这时板的挠度增加较快，而筋没有明显变形。局部 屈曲会降低结构的承载能力，影响外形的准确性，所以局部屈曲载荷是加筋板 设计的重要参数之一。黄宝宗和姜泽亚【2 2 1 提出一个统一的三角级数作为弹性边 界矩形平板和圆柱曲板的挠度函数，用位能原理确定在轴压、剪切和侧压作用 下板的局部屈曲临界载荷。j s p r z i i l i e i l i e c l ( i 【2 3 】在1 9 7 3 年对加筋板局部稳定性做 的分析，他采用大挠度的应变一位移关系建立了板条元的刚度矩阵。e i m 【 b 、脚u m 【2 4 】利用半解析有限元方法，提出了一个新的在复合载荷作用下分析加筋 板局部屈曲的有效模型。 为了充分发挥材料性能，节省材料，提高材料强度的利用率，对结构屈曲 强度来说，宜采用接近材料屈服极限的高临界应力设计，此时必须考虑结构的 非线性( 材料非线性及几何非线性) 对屈曲承载能力的影响。在诸多影响船舶 结构屈曲强度的因素中，材料物理非线性的影响将占主要地位【2 5 1 。p a i kc ta 1 【2 6 】 和f u i 如b oe ta l 【2 。7 】通过建立在非线性有限元方法基础上的曲线拟合得到了新的 塑性屈曲强度修正经验公式。郭彦林，梅占馨【2 8 】将线性样条有限元理论推广到 大挠度弹塑性范围，建立了样条有限元非线性分析方法，成功地分析了纵向加 筋板结构局部与整体稳定相关作用对其极限承载能力的影响。张涛，刘土光等【2 明 提出了一种加筋板大挠度弯曲的新解法，此方法将离散的梁与板结合起来建立 一个统一的控制方程。p a i ke ta 1 【3 0 】【3 l 】采用非线性有限元方法研究了在双向压力和 侧向载荷作用下加筋钢板的极限承载能力。 同样用钢量条件下，加筋板的稳定性能优于普通板件，但加筋板的缺陷敏 感性较强，且其随着加筋数目的增加而增加【3 2 1 。因此要想准确评估加筋板板格 5 武汉理i ：人学硕十学位论文 的屈曲强度，还应考虑各种缺陷( 主要为残余应力和仞始变形) 对加筋板的影 响。船体结构在焊接过程中及焊后都将产生应力和变形，这会给船体下一阶段 的焊接和装配带来很大的困难，还会引起舱壁和外( 壳) 板的凹凸变形，使船体结 构强度降低1 3 引。由于初始缺陷在设计之初很难判断而且其特征通常是不明显的， 在实际设计中一般用简化的模型来表示初始缺陷的影响。p a i ke ta l 【2 6 j 将焊接残余 应力考虑到屈曲设计公式中，其中为了准确地衡量强度计算中焊接初始缺陷， p a i k 用了一个理想化的模型来代表焊接残余缺陷的分布。c p p a n t e l i d e s 【3 4 】研究了 初始缺陷对加筋薄板屈曲和后屈曲性能的影响，研究表明初始几何缺陷对板的 弹性临界应力有显著影响。m a z z o l 趴ie t “3 5 】研究了焊接对铝薄板的局部屈曲强 度的影响。y a 0e ta l 【3 6 1 ，研究了单轴向压应力作用下，焊接残余应力和初始变形 对板的屈曲和极限强度的影响。 6 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章c s r 屈曲强度直接计算要求 散货船共同结构规范规定船长大于l5 0 m 的船舶应基于三维有限元分析对 船体主要支撑构件进行强度直接评估，其直接计算涉及结构的屈服、屈曲及疲 劳评估。规范中对评估时使用的有限元模型、载荷及边界施加、计算工况的选 取等都有明确的指导性的说明。 强度直接计算应基于规范规定的净尺寸，通过施加1 0 培概率水平的设计载荷 进行，将可能出现船体结构上的最恶劣载荷状念的静、动载荷组合施加到三维 有限元模型上。船体结构重量的作用在静载荷中考虑，而动载荷不考虑。 基本板格是指扶强材之间板材的最小未加强部分。目前，对船体板的屈曲 评估几乎都是基于基本板格提出的，这主要是为了控制加筋板的局部屈曲。基 本思路是将直接计算的得到的应力作为板格周围的载荷施加，并按要求选取相 应的边界条件，利用理论的简化公式计算板格的临界应力( 或极限强度) ，通过 屈曲衡准来判断板格是否满足屈曲强度要求。 图2 1 屈曲强度直接计算流程图 7 武汉理1 ：大学硕十学位论文 2 2 分析模型 2 2 1 模型范围 有限元模型的纵向应覆盖三个货舱长度和四个横舱壁。模型端部的横舱壁 应连同各自壁凳包括在模型中。模型端部应形成垂直平面，任何位于端面位置 的强框架应包括在模型中。三个货舱长度的有限元模型，其中中间舱为评估目 标。 有限元模型应覆盖船舶的两舷，以考虑横向波浪载荷的不对称性。所有主 要构件应在有限元模型中建模，其中包括：内壳和外壳、双层底肋板和桁材系 统、横框架和垂直桁材、水平纵桁以及横舱壁和纵舱壁。这些结构单元上的所 有板和骨材均应建模。 ( 评估目标) 2 2 2 有限元建模 图2 - 2 有限元模型的纵向范围 有限元网格边界应尽可能模拟实际结构的骨材排列规律，以表示骨材之间 板格的实际几何形状。每个构件的刚度应以适当的单元类型表示。选择单元类 型应按照以下准则： ( 1 ) 骨材应以梁单元或具有轴向、扭转、双向剪切和弯曲刚度的杆单元建 模。不过，主要支撑构件的腹板加强筋和面板可用仅具有轴向刚度，沿单元长 度剖面积不变的杆单元建模。 ( 2 ) 板应以具有面外弯曲刚度、双轴向刚度和面内刚度的壳单元表示。不 过对于不承受侧向压力的板可以用仅具有双轴向、面内刚度的膜单元建模。对 于膜元和壳元，应仅采用线性四边形或三角形单元。应尽可能避免三角形单元， 特别是在高应力区域和开孔周围、肘板连接处和折角连接处等应力梯度大的区 武汉理l ：人学硕十学位论文 域。 ( 3 ) 加筋板建模时，可使用二维( 2 d ) 正交各向异性单元，以恰当表示板 格刚度。 当有限元模型中没有正交各向异性单元时： 网格尺寸应小于或等于所表示的纵骨间距或舷侧肋骨间距。 骨材应以杆和或梁棒单元建模。 如设置双壳，主要支撑件腹板沿高度方向应至少分为三个单元。 如不设置双壳，舷侧肋骨和端部肘板的腹板应以壳单元建模，面板应以 板梁杆单元建模。舷侧肋骨腹板沿高度方向可不必分为多个单元。 单元长宽比应不超过l ：4 。 当有限元模型中加筋板有正交各向异性单元时： 对于双层底纵桁或肋板构件，单元高度应为双层底高度。 如骨材位于两个j 下交各向异性单元问的边缘，骨材可通过使用梁杆元建 模，也可通过将扶强材刚度赋到两个j 下交各向异性单元上来虚拟建模。 如果骨材位于一个j 下交各向异性单元和一个膜壳单元间的边缘，骨材应 以梁杆单元建模。 如果骨材位于两个膜壳单元问的边缘，骨材应以梁杆单元建模。 如设置双壳，主要支撑构件的腹板沿高度应以一个单元建模。 如不设置双壳，至少三档肋骨应有一根建模，与其相连的端部肘板的腹 板应以壳单元建模，面板应以壳梁单元建模。 单元长宽比应不超过1 ：2 。 2 3 ；争尺度 “净尺度”必须在船舶新建阶段一直到整个船舶设计寿命中都得以保持，以满 足结构强度的要求。该方法清楚地将净厚度与为了船舶在航行期间可能发生的 腐蚀而加上的厚度区分开来，该尺度提供了承受载荷所需的强度特性。 按照共同规范的第3 章第2 节净尺寸方法的规定，进行有限元分析的主要 支撑构件，其板材的净厚度应从总提供厚度中减去0 兑求得。 厶e 皿倒= 名一。删一o 筑= 乞6 。，f 一栅m w 。批。一o 筑 ( 2 1 ) 进行屈曲强度校核，并使用直接计算分析所得到的应力，所应计及的板厚， 9 武汉理j t ：人学硕十学位论文 其净厚度应从总提供厚度中减去t 求得。 t f e 确a h 帔2 t 昏n 珏啦r 硪一t c = t h t m b u 唧一谳嘲一t c t 2 - 2 式中： k 删屈服强度直接计算时所需的净厚度，m m 。 f p f 。屈曲强度直接计算时所需的净厚度，i 姗。 - 一。t l c 硪t h 2 k 。虎倒总提供厚度，为新建阶段中所提供的实际总厚度，m m 。 乞枷“建造厚度，为新建阶段中所提供的实际厚度，m m 。 d 枷扭邝砌砌，广一自愿裕量厚度，m m 。 t 腐蚀裕量厚度，m m 。 构件两侧的总腐蚀裕量乞= 按o 5 向上舍入( 乞l + 乞2 ) + f 名 舱室内部构件的总腐蚀裕量乞= 按o 5 向上舍入( 2 1 1 ) + 么m 为储备厚度，取o 5 m m 。0 1 ，乞2 为构件两侧的每一侧的腐蚀裕量， 具体规定见表2 1 。 表2 1 构件一侧的腐蚀裕量 腐蚀裕量，f c ，或幻 m m 舱室类型构件 船长人于等于1 5 0 m 其它 b c - a 或b c b 的船舶 主要构件的面板 液舱顶部以下3 m 范f i 4 内3 2 压载水舱2 任何其他地方1 5 液舱顶部以下3 m 范围内3 1 7 其他构件 任何j 他地方 1 2 上面部分4 2 41 o 横舱壁底毙斜板和顶板 5 22 6 j 他部分 3 o1 5 f ：面部分4 单舷侧散货船边肋骨上端 1 81 o 干散货舱” 肘板的腹板和折边 其他构件 单舷侧散货船边肋骨 2 21 2 下端肘板的腹板和折边 其他部分2 oi 2 连续木铺板2 o1 2 底边舱斜板，内底板 小连续术铺板3 72 4 暴露于人气 水、p 构件和露天甲板4 1 7 1 0 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 垂直构件1 o 暴露于海水力 1 o 燃油舱和滑油舱2 o 7 淡水舱o 7 非正常可达到的舱室，如仅通过人孔、管隧等才 空舱6 ) o 7 可到达 甲板室、机舱、泵舱、储藏室、舵机舱、等舱室 干舱o 5 的内部 除i ：述外的j e 他舱室 0 5 注： ( 1 ) 干散货舱包括拟载运干散货的货舱，可以载运油或压载水。 ( 2 ) 压载水舱与重燃油舱之问板材的腐蚀裕量虑增加o 7m m 。 ( 3 ) 不适用于内底及内底以下的构件。 ( 4 ) 货舱的上面部分相应于项边和内船壳或舷侧外板间的连接以上的区域。如果不设项边，则上面部分 相心于货舱高度的上三分之一。 ( 5 ) 水平构件系指角度在2 0 0 以下的构件视为水平线。 ( 6 ) 管隧处的外板的腐蚀余量应视为压载水舱的构件考虑。 ( 7 ) 正常压载吃水和满载吃水间的舷侧外板增加0 5 m m 。 2 4 边界条件 边界条件的处理是舱段有限元计算分析的关键问题，其直接关系到有限元 计算结果的合理性和准确性。规范中规定的边界条件，如表2 2 和表2 3 所示。 其中模型两端简支，端部剖面的纵向连续构件应与位于中心线上中和轴处的独 立点刚性相关。 表2 3 独立点的支撑条件 平移旋转 独立点的位置 胍协d z瓜 砂 勉 所有纵向构件相关相关相关 模型前端的独立点固定固定固定固定 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 5 设计载荷 采用等效设计波方法( e d w ) 用于设定设计载荷，包括在静水和波浪中垂 直于半个的侧向载荷及船体梁载荷。采用等效设计波法时，关键的问题是如何 确定设计波的参数，使得按它计算出来的船体应力范围能代表实际船体航行过 程中一定超越概率水平的应力范围。采用等效设计波确定设计载荷，能够反应 结构的细节，使考虑的设计载荷更加合理。使用为每一等效设计波确定的载荷 组合因数，将波浪侧向载荷和船体梁波浪载荷造成的应力组合起来。 2 5 1 载荷状态 所产生响应值与对结构构件起主要影响的载荷分量长期响应值相等的规则 波，设定为等效设计波( e d w s ) ，其组成部分为： 当垂直波浪弯矩在迎浪中达到最大时的规则波( e d w “h ”) 当垂直波浪弯矩在随浪中达到最大时的规则波( e d w “f ”) 当横摇运动达到最大时的规则波( e d w “r ，) 当水线处水动压力达到最大时的规则波( e d w “p ”) 弋、i 一一一一 l ，一、l 7 、_ 弋! ( a ) 对班) w - h -( b ) 对四w 。f - 图2 3e d w “h ”和“f ”波峰和波谷定义 上风舷向下 t 风眩向上 ) 船首向下船首向上 图2 4 船舶运动定义 1 2 武汉理f j 人学硕十学位论文 表2 4 载荷状态的定义 裁铀 跫惫 h 1h 2f lf 2r lr 二p lp 2 e d wh ”“f + r 一一p 横淀澎竣 f i l 缝波姥浪 f 。鳜：卜阪弘f ， 眩： f 矗般， 疑j 、醒i懿，、巧麓 翳j 、描蠢 自：，、讣，：，强力 彩嗍 ；弘旗 ，揿 t ，蕊 ；挣( + )t - ( + ) ( 一) 2 5 2 船体梁载荷 2 5 2 1 弯矩和剪力惯用符号 垂直弯矩m s 矽和m m 矿当在强力甲板引起拉应力( 中拱弯矩) 时为正值； 反之( 中垂弯矩) 则为负值； 水平弯矩必删当在右舷引起拉应力( 中拱弯矩) 时为诈值；反之则为负 值； 垂直剪力q 对所考虑船舶横截面之前的向下合力和船舶横截面之后的向 上合力为正值；反之则为负值。 q 口i 圈f 船首船尾 m 习( 围) m 垤抖 船首船尾 口( 圈) ) 图2 5 剪力和弯矩惯用符号 2 5 2 2 静水弯矩 船体任一横剖面的设计静水弯矩鸭晰何和坞职s 分别为该船体横剖面中拱 和中垂工况下的最大计算静水弯矩，不得取为小于由以下各式所得者： 中拱工况： 虮肌= 1 7 5 四口( g + o 7 ) l o 一一m 觚 中垂工况：m 册s = 1 7 5 掰口( g + 0 7 ) 1 0 - 3 一矿。5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 武汉理l ：人学硕十学位论文 2 5 2 3 静水剪力 船体任一横剖面的设计静水剪力丛为该船体横剖面在所定义的装载工况 下的最大计算正或负剪力。 2 5 2 4 波浪载荷 垂直波浪弯矩( k n m ) ： 中拱工况：m 眦= 1 9 0 厶c 已b g l o - 3 中垂工况：m n s = 1 1 吒厶甜b ( g + o 7 ) 1 0 - 3 式中：砌由表2 5 所定义的分布因数( 参见图2 6 ) 表2 5 分布因素砌 绥f 岔；钽譬 i f 乏瓮 分彩因数厶 o 二二x o 4 上2 5 兰 o 4 三二x 蔓0 6 5 1 0 o 6 5 x 墨三 2 硒” 吒 1 o 进水工况： 泊港工况： 垂直波浪剪力： 完整工况： 进水工况： 泊港工况： o o0 40 6 5 a e 图2 - 6 分布因素凡 m 吖。f = o 8 m 孵 m y 。p = o 撕胛 1 o f e x l = 3 0 尼厶说以g + o 7 ) l o 2 级 = o 8 鲸矿 q 仰= o 心 1 4 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 武汉理i ：人学硕十学位论文 2 5 3 外部压力 外板任何一点的总压力户，k n m 2 尸= 层+ 易 ( 2 1 2 ) 式中：b 所定义的海水静压力。 岛根据载荷状态定义的波浪压力。 2 5 3 1 海水静压力 对各装载工况，船体任何一点相应于静水中池水的海水静压力b ，k n n 1 2 ， 由表2 6 的公式得出( 参见图2 7 ) 。 表2 6 海水静压力毒 位霞 水静j k 勿p s ，k n ，m 2 承线蝰埂以下掺点f 二乏o )腾( 瓦a 一：) 巷( 线幔卜箨点：乏c j f ) o 2 5 3 2 海水动压力 p 骞2 船t 嗡 图2 - 7 海水静压力层 害 笼 蕊 对载荷状态h l 、h 2 、f 1 和f 2 ，船体水线以下任何一点的海水动压力如和 斥，i m 2 ，由表2 7 得出。 武汉理i ：人学硕十学位论文 表2 7 载荷状态h 1 、h 2 、f 1 和f 2 海水动压力 裁缝状态碡运酝趣躁j | 3 。磷f 2 h 1 ph t = 一娥p p 露 h 2 pq 2 = k kp p 鼹 f l p 乳= 一p 骶 f 2 pf 2 = p 鼹 式中： 叫印乎c 毒+ 掣圳：当挚o ，：取为不大 z 厂一考虑非线性影响的系数，取为等于： z ，_ 0 9 ，概率度为1 0 培 z ，= 1 o ，概率度为1 0 4 l 船舶纵向幅度系数，取为等于： + 暑”剀5 卜o o 鳓姐5 + 毒”掣，印5 卜吣北n 。 后，船舶纵向相位系数，取为等于： 纠1 2 5 专) c o s ( 掣) 专+ o 2 5 删僦工况局部强度黼 对于直接强度分析和对疲劳强度评估 = 1 o ，对满载工况局部强度分析 旯波长，m ，取为等于： 五= o 6 ( 1 + ! 笋) ，对载荷状态h l 和h 2 ， 下 力= o 6 ( 1 + 孝等) 三，对载荷状态f l 和f 2 j o 1 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 图2 - 8 船中海水动压力p f 2 分布 对载荷状态r 1 和i 匕，船体水线以下任何一点的水动压力r ， 下式得出。 耻删心肌o - 8 8 c 降( 譬+ 1 ) ) p r 2 = 一p 式中： z 厂一考虑非线性影响的系数，取为等于： z ，= q 8 ，概率度为l o 培 z 产1 o ，概率度为1 0 4 五= 芝瓦2 y 载荷点y 坐标，m ，在左舷取为正值 e 、 k n m 2 ，由 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 图2 9 船中海水动压力最。分布 对载荷状态p 1 和p 2 ，船体水线以下任何一点的水动压力p p ，k n m 2 ，由表 2 8 得出。 武汉理一l ：人学硕卜学位论文 表2 8载荷状态p 1 和p 2 海水动压力 如卷确限夕j ，k nl n 蔽铸状态 阻款下风舷 p l p p l = p ，p p l = p p 3 p 2 p p ! = 一p p 瞳= 一pp | 3 式中： 卅蛳c 户乎c 2 芒+ 3 掣， z 厂一考虑非线性影响的系数，取为等于： z ，= o 6 5 ，概率度为l o 。8 z ，= 1 o ，概率度为1 0 4 纠毗+ o 4 争o ) ，载荷点】，坐标，m ，在左舷取为正值 图2 1 0 船中海水动压力昂，分布 2 5 3 3 对露天甲板的外部压力 载荷状态h l 、h 2 、f 1 和f 2 ： p d = 卯 ( 2 1 5 ) 式中： p 由表2 9 公式得出的压力 矽由表2 1 0 所定义的系数 武汉理l 人学埘，f 一学缸沦文 袭2 9 城倚状态h l 、h 2 、f 1 和f 2f # 无1 p 板j | 、j t “ 址。，”半。 o st ? so ”强， 1 49 + 0 1 9 s k 07 钆，：i 3 43 + ( 1 48 + 州屯- 1 毒_ 3 ) m + 等t s 毒q n s 亡