（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于共同结构规范的屈曲强度分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，高强度材料的不断出现，以拉应力为主要特征的结构强度己 不再成为主要问题，而以压应力为主要特征的结构屈曲将成为结构设计中的主要矛盾。 板和加筋板是船体结构的重要组成部分，正确把握船体板的屈曲和极限强度是提高船舶 安全性与经济性的重要保证。 因此，为满足工业界、航运界对“坚固、耐用”船舶的需求，更好地保证海上安全 和保护海洋环境，追求高品质航运，认c s 制定了全球统一的共同结构规范( c o m m o n s t r u c t u r a lr u l e s ) ，对强度评估流程有了更详细的规定和更严格的标准。由于规范新出 台必然还存在一些争议且有待工业界检验的部分，本文主要针对规范中屈曲强度计算部 分的近似方法进行了研究，主要内容如下： 首先，阐述了船体板屈曲强度分析所涉及的基本理论和关键技术，分析了板屈曲的 特点以及大挠度理论知识，研究了板的弹性屈曲强度以及考虑各种缺陷影响下的板的极 限强度经验公式。 其次，以非加筋板为例，应用有限元方法验算了共同结构规范中对屈曲强度进行等 效计算的有效性，并比较了共同结构规范中j t p ( j o i n tt a n k e rr r o j e c t ) 规范和j b p ( j o i n t b u l kc a r r i e rp r o j e c 0 规范对屈曲强度校核的不同点，分析了规范中造成误差的主要原因， 为规范的进一步调整提供了参考。 再次，共同结构规范采用高级屈曲方法进行屈曲极限强度计算，要求考虑初始缺陷 的影响，并利用d n v 船级社程序p u l s ( p a n e lu l t i m a t el i m i ts t a t e ) 进行计算。本文将 各经验公式与共同结构规范和有限元计算结果进行比较，并提出了一些建议。同时研究 了椭球型凹痕对板的极限强度的影响，利用非线性有限元进行极限强度计算，利用曲线 拟合的方法得到含凹痕板的极限强度折减系数计算公式，为凹痕损伤板的极限强度评估 提供参考。 最后，本文以3 0 0 ，0 0 0 吨油船为例，根据j t p 规范要求，利用高级屈曲方法对非加 筋板件进行屈曲强度计算，对加筋板考虑载荷重分布进行极限强度计算，最后得出了一 些有意义的结论。 关键词：船舶结构屈曲；共同结构规范；非线性有限元方法；等效方法 朱元美：基于共同结构规范的届曲强度分析 a n a l y s i so fb u c k l i n gs t r e n g t hb a s e do nc o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt h ea p p e a r a n c eo fh i g hs t r e n g t hm a t e r i a l s ， s t r u c t u r a ls t r e n g t hc h a r a c t e r i z e db yt e n s i o ns t r e s si sn o tt h em a i nc o n t r a d i c t i o n ，w h i l e b u c k l i n ga n du l t i m a t es t r e n g t hc h a r a c t e r i z e db yc o m p r e s s i o ns t r e s sb e c o m et ot h em a i n c o n t r a d i c t i o ni ns t r u c t u r a ld e s i g n p l a t e sa n ds t i f f e n e dp l a t e sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so f s h i ps t r u c t u r e s ，s oi ti s 妇p o r t a n tg u a r a n t e ef o ri m p m v i n gs h i ps a f e t ya n de c o n o m yt oh o l dt h e b u c k l i n ga n du l t i m a t es t r e n t hc o r r e c t l y t h e r e f o r e ，i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fs a f ea n dr o b u s ts h i po ft h ei n d u s t r ya n dt h e s h i p p i n gc i r c l e s ，e n s u r et h em a r i t i m es a f e t y ，p r o t e c to o g a ne n v i r o n m e n ta n dp u r s u eh i g h q u a l i t ys h i p ，as i n g l es t a n d a r d - c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s ( c s r ) w e r ed e l i v e r e db yi a c s t h e r ea r cm o r ed e t a i l e dr e g u l a t i o n sa n dm o r es n j c tc r i t c f i a si nc s r h o w e v e r , b o c a l k q eo f n e wr u l e s ，d i s p u t em a ye x i s ta n dn e e dt ob ec h e c k e du pb yt h ei n d u s t r y s ot h ep a p e rm a k e s s o m er e s e a r c ho ne q u i v a l e n tm e t h o da b o u tb u c k l i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n t , a n di t sm a i n c o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eb a s i ct h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yr e f e r e n c e db ys h i ps t r u c t u r a lp l a t e sb u c k l i n g s t r e n g t h a n a l y s i si se x p a t i a t e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp l a t eb u c k l i n ga n dl a r g ed e f l e c t i o n t h e o r yi sa n a l y z e d a n dt h ep a p e ra l s om a k e ss o m er e s e a r c ho np l a t ee l a s t i cb u c k l i n g s t r e n g t ha n du l t i m a t ec a p a c i t ye x p e r i e n c e df o r m u l ac o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fk i n d so f o b j a c t i o n s s e c o n d l y ，t a k i n gu n s t i f f e n e dp l a t e 勰a ne x a m p l e ，t h ep a p e ra p p l i e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t oc h e c k i n gt h ev a l i d i t yo fb u c k l i n ga s s e s s m e n te q u i v a l e n tf o r m u l a eo fc s ri n c l u d i n gj 1 1 p o o i n tt a n k e rp r o j e c t ) a n dj b p ( j o i n tb u l kc a r r i e rp r o j a c t ) ，c a r r i e so u tc o m p a r i s o nb e t w e e n n 甲a n dj b pr u l e si nb u c k l i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n t , a n da n a l y z e st h em a i nr e a $ o n sf o re r r o r t h ep a p e ra l s op r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h eh a r m o n i z a t i o no fc o m m o ns t r u c t u r a lr u l e s 。 t h i r d l y , c o m m o ns t r u c t u r a lr u l e se m p l o y e da d v a n c e db u c k l i n gs t r e n g t hm e t h o dt o c a l c u l a t eb u c k l i n gu l t i m a t ec a p a c i t y ，c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fi n i t i a ld e f l e c t i o n , a n d m a yc a l c u l a t eb yu s i n gp u l sp r o g r a m t h ec s rf o r m u l aw a sc o m p a r e d 丽t hs o m e e x p e r i e n c e df o r m u l aa n dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n ds o m es u g g e s t i o n sw e r ep u t f o r w a r d a tt h es a m et i m e , s o m er e s e a r c hw e r ea l s om a d eo nt h ei n f l u e n c eo fd e n to nt h e p l a t eu l t i m a t ec a p a c i t y ，u s i n gn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t eu l t i m a t e c a p a c i t y ，a n du s i n ge ，d r v ef i t t i n gm e t h o dt oa c h i e v et h ed i s c o u n tc o e f f i c i e n to fu l t i m a t e c a p a c i t yo ft h ep l a t ew i t hd e n ti n t h ef i t t i n gf o r m u l a ew e r ep r o v i d e df o rt h ed e n tp l a t e u l t i m a t ec a p a c i t ya s s e s s m e n t 一i i 大连理工大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h ep a p e rt a k i n g3 0 0 ，0 0 0t o nt a n k e rf o re x a m p l e ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f j 1 甲r u l e s c a c u l a t e st h eb u c k l i n gs t r e n g t ho fu n s t i f f e n e dp a n e l sb ya d v a n c e db u c k l i n g s t r e n g t ha s s e s s m e n tm e t h o da n dt h eu l t i m a t ec a p a c i t yo fs t i f f e n e dp a n e l sc o n s i d e r i n gl o a d i n g r e d i s t r i b u t e a tl a s t , s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r ec o n c l u d e d k e yw o r d s s h i ps t r u c t u r eb u c k l i n g ；c o m m o ns t r u c t u r er u l e s ；n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n t m e t h o d ；e q u i v a l e n tm e t h o d i i l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：鲞型兰日期：型鱼! 望三旧 大连理工大学硕士研究生学位沦文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 蔓挖1 年业_ 月_ 2 生日 大连理工大学硕士学位论文 引言 板格、加筋板和板架在船舶结构中有着广泛的运用，随着船舶高速化和轻型化的发 展，以及高强度材料的广泛运用，使得船舶结构的屈曲问题和极限强度问题尤为突出。 屈曲强度和极限强度即为计算船体结构抵抗外载荷的最大承载能力。它们对于正确把握 船体结构的安全性、经济性和保证足够的强度裕度是十分重要的。 一般而言，船体结构的极限强度可通过估算结构对下列四种破坏形式的抵抗能力来 决定： ( 1 ) 屈曲或后屈曲失稳； ( 2 ) 由屈服引起的塑性破坏； ( 3 ) 过载下的脆性断裂； ( 4 ) 因应力脉动的反复作用而产生的疲劳断裂 板和加筋板是船体结构的重要组成部分，如甲板、底部、舱壁、舷侧等。当所受的 外载荷达到一定值时，加筋板格的破坏以及整体加筋板的失稳将导致船体的最终破坏。 因而，研究船体板的屈曲及极限强度对研究船体的极限强度具有重大的工程意义。 由于船体结构的复杂性及其工作环境的特殊性，结构会受到各种各样的外力作用， 包括：货物压力、水压力、波浪载荷，船体中的各部分构件又受到剪应力、弯矩、扭矩 等而板和加筋板单元作为船舶结构的组成部分，承受的载荷可以分为二种情况： ( 1 ) 面内载荷，包括轴向载荷( 压应力和拉应力) 、边缘剪切应力以及面内轴向弯曲 应力； ( 2 ) 侧向载荷，通常由水压力和货物压力引起。 本文分别研究了单向载荷和组合载荷作用下的板的屈曲情况。船体板的屈曲变形情 况取决于很多影响因素：几何尺寸、材料特性，载荷特征，初始缺陷( 如初始变形和残 余应力1 ，边界条件碰撞凹痕，腐蚀作用，疲劳裂纹等。 2 0 0 6 年4 月1 日生效的共同结构规范对加筋板和非加筋板的屈曲都作了详细规定， j t p 规范对于规则板利用高级屈曲分析方法，并且对船体结构的加筋板和非加筋板都作 了详细的规定，加筋板考虑极限能力( 即考虑载荷的重分布) ，非加筋板考虑屈曲强度 ( 不考虑载荷的重分布) ，这对船舶结构屈曲强度的研究起到了极大的促进作用。由于 共同结构规范是新出台的规范，其适用性还需要工业界的进一步验证，且油船共同结构 规中高级屈曲分析方法存在局限性，仅能适用规则板和加筋板，所以对共同结构规范的 研究有重要意义。有些学者已对规范作了研究，研究对象大部分都在有限元强度计算、 疲劳和屈曲强度计算部分。其中对屈曲强度的研究仅局限于按照规范步骤利用高级屈曲 基于共同结构规范的屈曲强度分析 方法进行了屈曲强度计算校核。本文也对油船共同结构规范屈曲强度部分进行了研究， 除了利用高级屈曲方法进行屈曲强度计算外，主要研究了规范中不能采用高级屈曲方法 进行计算的其它的近似方法有效性，及各种缺陷对板屈曲极限强度的影响，得出了一些 有意义的结论。 2 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景与意义 随着全球经济的快速增长，对石油的需求增长不可估量，因而作为运载石油和维系 现代经济稳步发展的世界油船队也从灵便型向大灵便型发展。由于油船的特殊所在，它 的安全性( 生命财产和海洋环境) 备受世界人们的高度重视，而高强度材料的出现使 以拉应力为主要特征的结构强度已不再成为主要问题，而以压应力为主要特征的结构屈 曲将成为结构设计中的主要矛盾“。 当船舶在海上航行时，一般情况下，甲板及双层底距离舯横剖面的中和轴位置最远， 因此在中垂状态下，甲板承受较大的总纵弯曲压应力，因而可能丧失其稳定性：而在中 拱状态下，船底承受较大的总纵弯曲压应力，同样可能丧失其稳定性。所以最先可能出 现的损坏一般都是上甲板或船底结构的受压屈曲破坏。虽然局部板格单元的失效不会明 显地削弱整个船体的总纵强度，但是随着总纵弯矩的增大，失效的板格单元会不断增多， 最终导致船体发生整体破坏，图1 1 为纵骨扭转屈曲。由上述破坏过程可见，上甲板和 船底结构的压缩极限强度是船体结构极限强度的基础，它可作为船体结构极限强度的指 标。加筋板是船体结构的基本强度构件，尤其是船舶的上甲板和船底结构，所以它直接 关系到船体的总纵强度。由i a c s 颁布的共同结构规范，对加筋板和非加筋板屈曲强度 计算作了更严格的要求。由此可见，研究船舶构件( 加筋板和非加筋板) 的屈曲和极限 强度问题对船舶的安全性和经济性有重要的现实意义 根据d n v 船级社2 0 q 5 年的统计分析，各种大型油船( 大于1 5 0 m ) 事故损失中， 对由甲板、舷侧、底板、内底板、纵舱壁等的破坏引起的船体破坏分别做了统计，其中 甲板断裂导致船舶损坏的比例最大为2 6 ，主要原因是甲板的屈曲和极限强度问题，可 见板的屈曲和极限问题是影响船舶安全因素的重要原因之一。因此共同结构规范首次将 船体梁的极限强度作了强制性规定，并对板的屈曲强度计算按净厚度进行校核，对不规 则板进行了等效计算。这种等效计算的有效性有待于迸一步验证，2 0 0 6 至2 0 1 1 年是共 同结构规范的协调期，而屈曲强度计算部分的等效计算以及油船和散货船规范之间的协 调有待于进一步强化，因此对规范的研究和验证是十分必要和有意义的，这不仅有利于 海上生命安全，防止海洋环境污染而且为船舶结构优化设计提供重要的设计依据。 为验证规范中对于不规则板屈曲强度计算的等效方法的有效性，本文分别利用规范 方法和有限元方法进行了比较计算，并分析了影响屈曲极限强度的多种因素，为规范中 对于不规则板屈曲强度的计算提供一些建议。 3 基于共同结构规范的屈曲强度分析 图1 1 纵骨扭转屈曲 m s 1 1 t o r s i o n a lb u c k l i n go f l o n g u i t u d i n a ls t i f f e n e r 1 2 船体板的屈曲研究现状 当结构所受载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很 大的改变，这种情况叫做结构失稳或屈曲，相应的载荷称为屈曲载荷或临界载荷。 规范中屈曲既可以指极限能力又可以指屈曲强度，视情况而定。极限能力定义为板 格能够持载且不至于引起永久大变形的最大载荷，是板的最大持载能力。在计算时考虑 结构内的载荷重分布，这个结果是考虑板的弹性屈曲的分析结果。对于细长杆件来说通 常高于理想弹性屈曲应力。屈曲强度定义为细长结构的理想弹性屈曲能力。对于较短粗 结构，理想弹性屈曲能力很高和极限强度重合，在计算时不考虑载荷的重分布。屈曲强 度值比极限能力值更为保守，以保证板不会有大的弹性变形而导致面内刚度降低。 j t p 规范自2 0 0 3 年被提出，2 0 0 4 年7 月份第一本草案公布后世界各国工业界提, m 3 0 0 0 多份意见和建议，2 0 0 5 年3 月第二版出台，2 0 0 5 年1 0 , 9 第三版出台，世界各国分别作了 大量的工作，其中关于疲劳、屈曲和极限强度校核修改的部分很大，尤其是屈曲部分依 然在修改和完善中。直至u 2 0 0 6 年4 月1 日共同结构规范生效，屈曲强度计算部分仍有待与 进一步验证与完善。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 1 船体板屈曲极限强度研究方法 随着高强度钢在船体板中的应用，铜板越来越薄，板的屈曲问题显得尤为突出，成 为影响总纵强度的重要因素之一。 一般而言，船体板的屈曲和极限强度有以下两种计算方法：基于板理论的简化方法； 试验及有限元方法： 简化方法计算简便，但由于简化的原因，应用时有一定的限制，有限元方法通用性 较强但费时。 ( 1 ) 基于板理论的简化方法 w i l l i a l m s ( 1 9 7 6 ) “研究了板边缘支撑构件的扭转刚度不同情况下，板单元的屈曲强 度特征。p a i k & t h a y a m b a l l i ( 2 0 0 0 ) “1 研究了弹性扭转约束边界条件板的屈曲强度特征，并 得到了支撑构件沿一边或四边弹性扭转约束条件下的屈曲强度的简单设计公式。 m a n s o u r ( 1 9 7 6 ) “1 绘制了用于预测板内和横向压力共同作用下，简支板的屈曲方程后屈 曲状态的图表。s t e e n & v a l s g a r d ( 1 9 8 4 ) 推导了双轴向压应力和侧向压应力共同作用下 板的屈曲和极限强度的简化方程。u e x l a 等( 1 9 8 5 ) 建立了多种载荷作用下简支板的弹性 屈曲方程，载荷包括双轴向压应力、双轴向板内弯矩、边缘剪应力。e a i k 等( 1 9 9 2 a ) 册 推导了在双压应力、边缘剪应力和侧向压应力作用下，简支板的弹性屈曲方程。p a l k 等 ( 1 9 9 2 b ) 嘲在上述情况下，又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。 m a z z o l a n i 等( 1 9 9 8 ) ”1 研究了焊接对铝薄板的局部屈曲强度的影响。y a o 等( 1 9 9 8 ) “口研究 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。 大多数船级社关于船体板的弹塑性屈曲强度的计算都是通过一种修正系数的方法 把塑性屈曲强度用弹性屈曲强度来衡量，这就是j o h n s o n o s t e n f e l d 公式。p a i k 等( 1 9 9 2 b ) 和f u j i k u b o 等( 1 9 9 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。国内也有学者余友谊等“”建立在非线性有限元的基础上用曲 线拟合的方法得到各种缺陷影响下的屈曲强度修正经验公式。油船共同结构规范采用的 是基于大挠度理论的高级屈曲分析方法，考虑了各种缺陷的影响，d n v 编制了相应的p u l s 程序，为规则板的屈曲强度计算提供了简捷方便的工具。 早在1 9 3 2 年，k a l m a l 就提出了板的有效宽度的概念。对于分析受压板的屈曲和后 届曲状态而言，有效宽度的概念是十分有效的设计方法。在预测板的极限强度方面，有 效宽度概念也被广泛的应用一直到8 0 年代，u c d a 等( 1 9 8 6 4 “3 1 推导了受双轴压应力、 剪应力、并考虑初始变形和焊接残余应力情况下的板的有效宽度的计算公式p a i k 等 ( 1 9 9 1 ) “”导出了有效宽度的解析计算公式，并建议在船体板格极限承载能力分析中采用 基于共同结构规范的屈曲强度分析 他们给出的解析公式。这个板的有效宽度的理论计算公式乃是基于板的大挠度理论方程 式，求解过程中考虑了初始变形及焊接残余应力的影响。郑金鑫，崔维成提出了横向载 荷作用下缺陷加筋板有效板宽的一个计算方法。 ( 2 ) 试验及有限元法 s m i t h ( 1 9 7 6 ) 做了一系列钢质加筋板的实验研究，实验中加筋板所受的载荷主要是 单轴受压。s m i t h ( 1 9 9 2 ) “”并对上述实验中加筋板作了非线性有限元分析，并比较了两 种情况下加筋板的极限强度。徐向东、崔维成( 1 9 9 9 ) “”提出了一套用于计算加筋板格屈 曲及极限强度的方法，并编制了相应的计算机软件。通过比较，该方法完全可以用于船 体板的工程设计计算。 基于大量实验结果，魏东、张圣坤等( 1 9 9 9 ) 咖提出了用对传神经网络( c p 计算加 筋板极限强度的方法。与近年来提出的双参数拟合多项式比较，c p n 可考虑更多的设计 参数，并充分利用实验数据，因此拟合精度更高。 章向明、施华民、王安稳( 1 9 9 9 ) “”给出了偏心加筋板的几何非线性分析的理论公式 和相应的有限元计算模型。为了计及大变形的影响，在肋骨和板的运动方程中引用v o n k a r m a n 形变关系，并按照m i n d l i n 板理论计及横向剪切变形的影响此模型可适合于薄 板和厚板的几何非线性分析。 这种基于通用软件的有限元法可以计算各种复杂和不规则的板架，这种方法还考虑 了各种实际存在的复杂因素。有限元法通用性强但较费时；由于简化的原因，简化的方 法只能适用于特定的条件，局限性大，但使用比较方便 1 2 2 船体板屈曲研究趋势 船舶的发展趋势是向大型化、轻型化、高速化和多样化发展，船体板的屈曲和极限 强度问题愈益受到重视。随着科学技术的发展，高强度材料的不断出现，以拉应力为主 要特征的结构强度已不再成为主要问题，而以压应力为主要特征的结构屈曲将成为结构 设计中的主要矛盾嘲。而j t p 规范中探讨最多的地方在此。目前，还有一些问题需要进 一步研究： ( 1 ) 弹塑性稳定性分析需建立符合实际的计算模型，研究高效的计算方法，使计算 能为设计者所接受。 ( 2 ) 仍需继续研究初始几何缺陷、实际压应力分布不均匀等对船体结构稳定性的影 响。规范中对于几何缺陷是采用等效板的方法进行处理，而这种方法的有效性和局限性 有待于进一步研究。高级屈曲分析未能解决厚度变化的板，尺寸变化加强筋的屈曲问题， 因此这些问题也有待于进一步探讨。 ( 3 ) 船体结构除了有静力稳定性问题外，还有砰击动力屈曲等问题 6 大连理工大学硕士学位论文 船体砰击是指航行在波浪中的船舶箱体交替抬离水面又落回水面时水和船体的碰 撞。其在船体舯部产生的冲击谐振弯矩再叠加波浪中垂弯矩，使远离中和轴的上甲板沿 纵向受到极大的压缩载荷，引起上甲板动力屈曲现象。但是船舶的动力砰击届曲尚处在 起步阶段，还需进一步探索。 ( 4 ) 船体结构中除静力和动力砰击问题外，还存在热屈曲问题。 ( 5 ) 目前，关于船舶总强度的研究己朝着可靠性分析的方向发展。缺乏详细的实船 总体破坏的统计资料，缺乏船舶总强度方面的实船测试资料以及大尺度船体梁结构模型 的试验资料，这些都是今后船舶强度研究迫切需要解决的课题。 ( 6 ) 结构的造价最低或重量最轻是结构优化设计所追求的目标，满足结构稳定性要 求是其中一个重要的约束条件。应提高考虑稳定性约束的计算效率，使结构优化设计的 效果更好。 1 3 共同规范研究现状 自2 0 0 6 年4 月1 日共同结构规范c s r 生效以来，很多学者都对共同结构规范进行 了深入的研究。王刚啪1 对双壳油船共同结构规范建立背景、技术发展特点和路径及实施 过程进行了阐述，并与c c s 规范的相关内容作了对比说明。詹志鹊o “介绍了油船共同 结构规范对船体结构疲劳强度校核的要求与要点。敬草嘲分析了共同结构规范对市场的 影响。陈南华啪1 根据j b p 规范对散货船结构强度直接计算进行了研究，李妍1 对j b p 规范中疲劳强度进行了分析研究，孙先波啪1 对j t p 规范中疲劳强度进行了分析研究。田 本涛哺1 、鲁肃“”等对共同结构规范中油船货舱区结构优化设计和结构设计关键技术进行 了研究。唐亮啪1 根据油船共同结构规范和c c s 的分析指南对一艘成品油轮进行有 限元强度直接计算，并进行了屈曲强度计算比较。从以上研究内容可以看出，研究对象 大部分都在有限元强度计算、疲劳和屈曲强度计算部分。其中唐亮对屈曲强度的研究仅 局限于按照规范步骤利用高级屈曲方法进行了屈曲强度计算校核。本文对也对油船共同 结构规范屈曲强度部分进行了研究，与上述研究相比，本文不仅完成了屈曲强度计算， 还主要研究了规范中不能采用高级屈曲方法进行计算的其他采取的近似方法有效性，及 各种缺陷对板屈曲极限强度的影响。 1 4 论文主要研究的内容 目前，随着船舶大型化的发展以及高强度材料的应用，船体板的屈曲已经成为影响 船体总纵强度的重要因素之一现代大型船舶一般都采用纵骨架式，其甲板、船底板、 舷侧板等一般都是由一系列的纵向加强筋构成，这类船舶最常见的破坏模式是加筋板中 7 基于共同结构规范的屈曲强度分析 的板格首先发生屈曲破坏，然后是加筋板的整体屈曲破坏。基于共同结构规范的屈曲强 度计算的等效方法，对不规则板进行有限元分析，比较等效方法的有效性，并分析各种 缺陷对板极限强度的影响是本文的主要研究内容，具体而言，如下： 首先，对船体板的屈曲强度基础知识进行了阐述，介绍了板的大挠度理论和板屈曲 的特点，并且作了一些基本假设。 其次，以无加筋板为例，应用有限元方法验算了共同结构规范中对屈曲强度进行等 效计算的有效性，并比较了j t p 规范和j b p 规范对屈曲强度校核的不同点，分析了规范 中造成误差的主要原因，为规范的进一步调整提供了参考。 再次，共同结构规范采用高级屈曲方法进行屈曲极限强度计算，要求考虑初始缺陷 的影响，并利用p u l s 程序进行计算。本文将各经验公式与共同结构规范和有限元计算 结果进行比较，并提出了一些建议。同时研究了椭球型凹痕对板的极限强度的影响，利 用非线性有限元进行极限强度计算，利用曲线拟合的方法得到含凹痕板的极限强度折减 系数计算公式，为凹痕损伤板的极限强度估算提供参考。 最后，选取了一条合适的油船，采用与共同结构规范对应的p u l s 程序，进行了高级 屈曲强度分析计算，并对结果进行了评估。 8 大连理工大学硕士学位论文 2 船体板的屈曲强度分析 本章重点讨论了船体板屈曲强度分析所涉及的基本理论和关键技术，分析了板屈曲 的特点以及大挠度理论知识，研究了板的弹性屈曲强度。以及考虑各种缺陷影响下的板 的极限强度经验公式 2 1大挠度理论及板的屈曲特点 2 1 1 板的大挠度理论 板边缘的支持构件具有较大的刚度时，有时板的屈曲应力不是很高就会发生屈曲， 但屈曲以后并不破坏。板的强度有很大的潜力可以发挥。板的挠度将会继续发展到相当 大的数值，在发展挠度的过程中，板的应力将出现重分布，板的中面会产生相当大的薄 膜拉力。板中的应力分布和薄膜拉力的出现可延缓挠度的发展，实际上起着对板的支持 作用，从而大大提高板的承载力，使其远远超过板的分岔屈曲载荷。由于板在屈曲后的 挠度与厚度相比已经不再是一个小的数量，而且在单向均匀外载荷作用下中面力不再是 常量，在非载荷作用的方向也同时产生了中面力，为此需按照有限挠度理论研究薄板的 屈曲后强度。 很多情况下，应用小挠度理论设计侧向承载会使板厚过大。小挠度理论未能考虑当 挠度变大板边被阻止趋近时所产生的薄膜应力。在大挠度情况下板不再是可展的曲面， 而且挠度又引起板面内的拉压。如果板边被阻止趋近，则当侧向挠度( 无论是初始挠度 或由于载荷引起的挠度) ，t 2 时，薄膜效应就显得尤为显著。如果板边可以自由趋 近( 此假定适用于船体板) 则薄膜效应一般要推迟到挠度，t 时才变的显著。随着挠 度的增大，增加的一部分载荷由薄膜效应承受。此时，侧向载荷将由弯曲和薄膜效应共 同支持，这种情况就需要用更为全面的大挠度理论来分析。v o nk a _ r m a t t 提出了大挠度 板的微分方程： 等+ 两0 2 c o + 等弓等等一2 啬啬+ 警 仁- ， 可+ 丽+ 矿。石帑。石叫丽丽+ 万矿j j 警+ 2 寿+ 等- e f 静一等害1 以上两式分别是以挠度函数和应力函数f 为变量的力平衡方程和变形协调方程。 2 1 2 板屈曲的特点 板的屈曲有以下特点： 9 基于共同结构规范的屈曲强度分析 ( 1 ) 作用于板中面的外力，不论是一个方向作用有外力还是在两个方向同时作用有 外力，屈曲时板产生的都是出平面的凸曲现象，产生双向弯曲变形，因此在板的任何一 点的弯矩肘。、m ，和扭矩m 。以及板的挠度都与此点的坐标善，y 有关 ( 2 ) 板的平衡方程属于二维的偏微分方程，除了均匀受压的四边简支的理想矩形板 可以直接求出其分岔屈曲载荷外，对于其他受力条件和边界条件的板很难直接求解，经 常采用能量法，如瑞利里兹法和伽辽金法，或者用数值法，如差分法和有限单元法， 在弹塑性阶段，用数值法可以得到精确度很高的板的屈曲载荷。 ( 3 ) 平直的薄板失稳属于稳定分岔失稳问题。对于有刚强侧边支撑的板，凸曲后板 的中面会产生薄膜应变，从而产生薄膜应力。如果在板的一个方向有外力作用而凸曲时， 在另一个方向的薄膜应力会对他产生支持作用，从而增强板的抗弯刚度进而提高板的强 度，这种凸曲后的强度提高成为屈曲后强度。单向均匀受压的板会因为屈曲后各点薄膜 应力不同而转变为不均匀的双向受力板这样一来，有些部位板的应力可能远远超过屈 曲应力而达到材料的屈服强度，这块板将很快破坏，它标志着板的承载能力不再是分叉 屈曲载荷，而是板的边缘纤维己达到屈服强度后的极限载荷。 ( 4 ) 按照小挠度理论分析只能得到板的分岔屈曲载荷，而按照有限挠度理论，或称 大挠度理论分析才能得到板的屈曲后强度和板的挠度。 2 2 基本假设 2 2 1 板的几何和材料属性 船舶结构中板格的几何形状通常是矩形( 非矩形的板计算时一般都等效转化为矩形 板) ，加筋板如图2 1 所示，材料通常是用低碳钢或高强度钢( 值得注意的是铝合金材 料在高速船舶中的应用越来越来越广泛) 。船用钢材的屈服强度通常在2 3 5 - - 4 0 0 m p a 之 间。 2 2 2 边界条件 板的边界一般是由梁构件支撑( 如加强筋) ，边界支撑单元的弯曲刚度相对于板而 言要大很多，这就意味着单元沿板格的变形方向的位移很小，即使板单元破坏失效，支 撑单元的位移也十分小。而板单元的扭转约束取决于支撑单元的扭转剐度，扭转刚度即 不是零也不是无穷大。 规范中关于板边界条件规定如下：边界条件分成两个主要部分“自由边界板”和“连 续板”，后面一组代表大的加筋板例如甲板板、底部板和舷侧板等，其他的例如横梁、 筋腹板等。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 典型加筋板结构 h 参2 1d 1 c a ls t t i f f c n e dl m l e l 对于连续板情况，加筋板的边界条件如下， ( 1 ) 板边界与加强筋垂直时考虑成简支。 ( 2 ) 板边界与加强筋平行时考虑成扭转约束。 ( 3 ) 加强筋端部看成连续板的一部分，并且受主要支撑构件的侧向支持。 ( 4 ) 板的边界保持直线但是可以面内自由移动。 对于自由板可以看成沿着板边有缺陷的面内支持： ( 1 ) 板边界与加强筋垂直时考虑成简支。 ( 2 ) 板边界与加强筋平行时考虑成扭转约束。 ( 3 ) 当加强筋直接和相邻构件连接时，其端部看成是侧向支持，否则看成是简支。 ( 4 ) 板的所有自由边都可以自由面内伸缩，可以考虑自由边界的扭转约束。 非加筋板的边界条件： ( 1 ) 板边界是简支 ( 2 ) 若是自由边界板，面内自由移动，连续的边界强迫保持直线。 2 2 3 加筋板的失效模式 加筋板是船体结构的重要组成部分，加筋板由板和加强筋组成，当加筋板整体或部 分开始出现弹性屈曲时，加筋板还可以继续承受载荷，直到整个加筋板截面都达到其屈 服强度极限无法承受载荷。船舶中的加筋板通常受到组合荷载的作用，其中主要的荷 载分量是面内压应力。为了方便。将受面内压力作用的加筋板可能的破坏模式分为下列 六类： i l 基于共同结构规范的屈曲强度分析 ( 1 ) 整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱时，加强筋会和板一起在弹性范 围内发生弯曲屈曲。当然，通常情况下，此时加筋板依然还能承受一定的载荷( 即所谓 的板的后屈曲性能，在这里暂不予考虑) ，直到截面中有更多区域达到强度屈服极限。 在这个屈曲模式中，加筋板的性能类似于正交异性板。 ( 2 ) 在筋板交界处材料达到屈服强度即认为材料达到极限情况。这种屈服模式在双 向压力作用下经常发生。 ( 3 ) 梁一柱屈曲。当筋条为对称结构，筋板刚度相差不是很大时，筋板易发生梁一 柱屈曲。 ( 4 ) 加强筋的腹板的局部屈曲。当加强筋腹板的高厚比较大时易发生此种届曲。 ( 5 ) 加强筋的侧倾。当加筋板的扭转刚度较小时易发生。 ( 6 ) 完全屈服。在这种极限状态下，整个加筋板截面都达到其屈服强度极限。 2 2 4 载荷 作用在板单元上的载荷通常可以分为面内载荷和侧向压力。面内载荷分为轴向载荷 ( 压应力和拉应力) 、边缘剪切应力以及面内轴向弯曲应力。在实际的船舶结构中面内 通常是由船体粱的总纵弯曲或者船体梁的扭转引起。侧向压应力则通常由水压力和货物 压力引起。 图2 2 显示了板格的一般载荷情况。通常为了计算方便，把应力分布简化成平均值， 如图2 3 所示其中负号表示压应力，正号表示拉应力 锄 p l 嘞 p 2 卜l _ 叫 图2 2 组合载荷作用下船休板的受力图 f i g 2 2 p l a t eo nc o m b i n e dl o a d s 赫 大连理工大学硕士学位论文 载荷的平均值定义如下： x 方向的平均轴向应力：仃瑚_ 半 y 方向的平均轴向应力：一半 边缘平均剪应力：k h 倒向平均压应力：，。- 鱼专丝 2 2 5 初始缺陷 一一一k 图2 3 载荷理想化后的板格的载荷分布 f i g 2 3 p l a 忙o qi d e a lc o m b i n e dl o a d s 初始缺陷，实际上就是由于制造、运输、安装等原因使得结构不可避免存在的一种 缺陷。在建造船舶结构过程中，焊接是最常用的方法。因此，焊接后的初始缺陷( 包括 初始变形和残余应力) 是不可避免的。据试验统计。宽翼板型钢中残余应力最为显著 对于低碳钢材料的宽翼板型钢，其翼板端部的残余压缩应力可高达8 0 m p a 。对于屈服强 度较高的钢。残余应力较小。船体板设计过程中初始缺陷的影响通常也需要考虑，但是 由于初始缺陷的不确定性，设计过程中通常是用简化的模型来表征。 1 1 ) 初始变形 ” 骂 基于共同结构规范的屈曲强度分析 板的初始离面变形有横向和纵向两类。横向变形主要由扶强材处角焊缝的收缩效应 引起，使在扶强材之间呈现众所周知的简形变形的“瘦马”外形。典型船舶板格的中心 挠度约为o 0 6 5 ，1 啤，因而对于具有密集焊缝的柔性板。其最大值可为0 5 t 。但是这类 初始变形对板的强度影响不大。另一类初始离面变形是叠加于筒形焊接变形的纵向波 纹，以符号6 。表示。它的大小取决于结构制造的方法和环境，典型的上下界值是o 0 4 卢2 f 和o 1 8 口，对中等柔性板和柔性板影响较大。 在高级船舶结构设计中，应将焊接引起的初始缺陷作为影响参数对板格进行承载能 力计算。“鲫。由于焊接初始缺陷的复杂性，通常采用理想化模型。图2 4 示为船体板格 焊接初始变形简图 一 口 口 口 口 一 一一 一一 _r - 6 l b j b 1 j b 1 图2 4 板格焊接初始变形 f i g 2 4w e l d i n gi n a t i a ld e f l e c t i o no f p l a t e 文献 3 3 曾对3 3 个实际测量的实际挠度进行过统计回归。本文采用这一回归结果， 因此板的初始变形用下式估算嘲： 4 攀 ( 2 3 ) 。；函r l 厶，j 热- 长鉴芝舳初始变形函数的舭 关于初始变形规范中规定如下： 加强筋之间的板：s 2 0 0 ，其中s ，加强筋间距 加强筋：1 1 0 0 0 ；其中f ，加强筋跨距。 1 4 n陟工 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 残余应力 焊接残余应力的分布如图2 5 示，从图中可以看到，残余应力主要有两部分，焊接 残余拉应力和压应力。由于施焊总是沿着垂向和横向两个方向进行，因此焊接残余应力 也必然会沿这两个方向分布x 方向和y 方向