（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体总纵极限强度分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 船舶结构的极限强度问题是船舶结构设计中的重要问题，历来受到船舶结构力学工 作者的高度重视。传统上，船体总纵强度是通过比较许用应力和在名义垂向波浪弯矩作 用下甲板或船底上距中和轴最远点的弹性应力来进行评估的。这种方法对传统船型是有 效的，但是它不能给出船体极强度的真实估算，而且当应用于现代船型时其计算结果不 能令人满意。船体总纵极限弯矩的计算，由于要计及材料的和几何的非线性因素而变得 十分复杂，必须用增量的方法逐步计算，获得完整的弯矩一曲率曲线后，才能得到总纵 极限弯矩值。 目前，计算总纵极限弯矩的方法主要有三种，即有限元法，直接计算法和逐步破坏 分析法。其中有限元法对于目前的计算工具来说这种方法所要求的计算量太庞大，计算 费用也太高，无法在实际中得到广泛应用。本文采用的是逐步破坏分析法。 本文结合c c s 最新颁布的2 0 0 6 钢质海船入级规范，应用梁一柱理论，建立了 加筋板格单元的应力应变关系曲线计算方法，并编制了相应的f o r t r a n 计算程序。 在此基础上，导出了船体结构总纵极限强度的逐步破坏分析方法计算流程，并编制成 f o r t r a n 计算程序。 应用本文导出的逐步破坏分析方法分析计算了r e c k f i n g n o ，2 3 ，b o w l i n g n o 2 模型 总纵极限强度。计算结果表明，本文导出的逐步破坏分析方法和计算程序准确可靠，可 供船体结构设计和强度校核使用。 最后，采用本文建立的计算方法和计算程序对一艘3 0 万吨油船进行了强度分析。 关键词：船体结构；总纵强度；极限弯矩；逐步破坏分析法；应力一应变关系 大连理工大学硕士学位论文格式规范 a b s t r a c t t h es c h o a r $ i nt h ef i e l do ft h es h i ps t r u c t u r em e c h a n i c sp a yg r e a ta t t e n t i o nt ot h e u l t i m a t e s t r e n g t ho ft h es h i p s ，w h i c h i sa ni m p o r t a n tp r o b l e mi nt h e s h i pd e s i g n t r a d i t i o n a l l y t h eu l t i m a t es t r e n g t hi se s t i m a t eb yc o m p a r i n ga l l o w a b l es t r e s sw i t ht h es t r e s sa t t h ef a r t h e s tp o i n td i s t a n tf r o mt h en e u t r a la x i so nt h ed e c ko ro nt h es h i pb o t t o m ，w i t ht h e a f f e c t i n go ft h em e a uv e r t i c a lw a v ei n d u c e db e n d i n gm o m e m t h i s m e t h o di sa v a i l a b l ef o r t h et r a d i t i o n a ls h i pt y p e s ，b u tc a l ln o tg e tt h er e a le s t i m a t eo ft h eu l t i m a t es t r e n g t ho ft h es h i p s ， w h a t sm o r ei sl e s sa c c u r a c yf o rt h em o d e ms h i p s n ep r o c e s so ft h ec a l c u l a t i o no ft h e l o n g i t u d i n a ls t r e n g t hi sc o m p l e x ，d u et ot h en o n l i n e a rf a c t o ro ft h em a t e r i a la n dg e o m e t r y t h ei n c r e m e n tm e t h o di sn e e d e dt oo b t a i nt h ei n t c 罟即t c dc u r v eo ft h eb e n d i n gm o m e n t - c u r v a t u r e ，t h u st oo b t a i nt h em a x i l l n u mo ft h eu l t i m a t es t r e n g t ho ft h es h i p r e c e n t l y t h e r ea r e3m e t h o d st oe s t i m a t et h eu l t i m a t es t r e n g t ho ft h es h i p s t h e ya r e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) d i r e c t l yc a l c u l a t i o na n dt h eg r a d u a l l yf a i l u r ea n a l y s i s 1 1 l e m e t h o do ff e mc a nn o tb eu s e dw i d e l yi nt h ep r a c t i c e s ，d u et oi t su l t r al a r g ec o m p u t a t i o n a l s c a l a rr e q u i r e m e n ta n di t sl l i g hc o s t 1 1 1 eg r a d u a l l yf a i l u r ea n a l y s i si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r n en u m e r i c a lm e t h o do ft h ea j i v eb e t w e e nt h er e l a t i o n s h i po ft h es t r e s s - s t r a i no nt h e r e i n f o r c e dp l a t ep a n e le l e m e n ti se s t a b l i s h e d ，a p p l i e dt h et h e o r yo ft h eb e a m c o l u m n ， r e f e r e n c e dt h en e w l yp u b l i s h e d “r u l e sa n dr e g u l a t i o n sf o rt h ec l a s s i f i c a t i o no fs t e e ls e a s h i p ”b yc c s i n2 0 0 6 ，a n dr e l a t e dp r o g r a mi sc o d e di nf o r t r a nl a n g u a g e o nt h eb a s eo f t h o s e ，t h ec a l c u l a t i o np r o c e s so ft h eg r a d u a l l yf a i l u r ea n a l y s i so ft h el o n g i t u d i n a lu l t i m a t e s t r e n g t ho ft h es h i p si se s t a b l i s h e d a n di t sf o r t r a nc o d e si sa l s oo b t a i n e d n el o n g i t u d i n a lu l t i m a t es t r e n g t ho ft h em o d e lr e c l d i n gn o 2 3a n db o w l i n gn o 2b y t h em e t h o do ft h eg r a d u a l l yf a i l u r ea n a l y s i si sd e r i v c di nt h i sp a p e r 1 n l cr e s u l ts h o wt h a tt h e m e t h o da p p l i e di nt h i sp a p e ri sr e l i a b l ea n dp r e c i s e ，c a nb eu s e di nt h ed e s i g no fs h i p s t r u c t u r ea n ds t r e n g t hc h e c k f i n a l l y ，t h em e t h o da n dt h ep r o g r a mi sa p p l i e di nt h ep r o c c s so ft h es t r e n g t hc h e c ko ft h e 3 0 0 0 0 0t o n so i lt a n k e r k e yw o r d s ：s h i ps t r u c t u r e ：u l t i m a t el o n g i t u d i n a ls t r e n g t h ：u l t i m a t em o m e n t ；g r a d u a l l y f a i l u r ea n a l y s i s ；s t r e s s - s w a i nc u r e i i 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。 ：l t ) 0 8 、1 j 大连理工大学硕士研究生学位论文 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 至瘿 导师签名：型全直 型型壁年上月l 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的理论意义和应用价值 极限强度就是船体结构抵抗整体崩溃的最大能力，当船受外加载荷作用达到极限状 态时受到的弯矩为船所能承受的极限弯矩，船的总纵极限强度就是以此极限弯矩为衡量。 船的整体崩溃本质上是总体刚度和承载能力的丧失l l 】。 船体结构在承载过程中，随外载荷增大，其主要构件会开始破坏，受拉部分屈服失 效，受压部分屈曲失效，但此时船体剖面结构仍可继续承载，未失效的构件会进一步承 载，包括失效构件转嫁的载荷。随外载荷的不断增大，失效的构件会逐渐增加，当船体 中剖面所有构件均失效时，船体结构达到了它的极限承载能力，邵船体结构的极限强度。 传统的船体结构总纵强度校核方法以结构弹性失效准则为理论基础的，是基于线弹性理 论以满足总纵强度下的最小剖面模数为依据的安全系数法。由于没有考虑局部构件的失 效( 屈曲、屈服等) 以及材料非线性和几何非线性的影响，无法准确预报船体结构的极限 承载能力。这种方法通常过于保守，低估了船体的安全性能，产生了不必要的材料浪费， 无法满足现代船舶建造工业要求的经济性。 并且，随着船舶日益大型化，近年来对一些v l c c 和u l c c 船体结构的渐进破坏分析， 在某些情况下船中剖面的初始屈服弯矩有时会大于极限弯矩，尤其是在中垂的情况下【2 】。 这样，传统的船体结构校核方法也无法满足船舶营运中的安全性。因此就需要我们考虑 船体结构的真实承载能力极限强度。 此外，进行极限强度研究，我们就可以计算出船体结构中最易破坏的构件，便可以 通过增加其强度来增加整体结构的强度。同时也可以在满足设计要求强度的条件下，适 当削弱部分强度过大的构件，合理的使用材料，以优化船体结构。 而2 0 0 6 年1 月颁布的双壳油船共同结构规范【3 】针对船长1 5 0 米及以上载运散装 货油的入级油船，基于简单梁理论和包括弹性屈曲和塑性能力模型，要求必须计算船体梁 中垂状态下的总纵极限弯矩和加以检验，并列出了其计算方法。而对于1 5 0 米及以上的 入级散货船，则要求计算其中垂和中拱工况下的的船体梁总纵极限弯矩。中国船级社已将 “共同规范”对大型油船和散货船要求编入其( 2 0 0 6 钢质海船入级规范【4 j 中，并于2 0 0 6 年4 月1 日开始生效。因此，也需要我们详细研究规范中关于极限强度的计算方法，并 分析其特点及影响 大趣工大学硕士学位论文格式规范 1 2 国外研究概况 在1 8 7 4 年第1 5 届造船师协会年会上，j o h n n 提出了船体结构总纵强度校核的方法 体系( 采用坦谷波理论计算船体中剖面的最大弯矩、基于梁理论计算船体结构应力、以 初始屈服弯矩作为船体结构强度衡准) ，其基本内容一直沿用至今。 近三十年来，国内外船舶力学研究者发展了多中计算纵向强度的数学模型和计算方 法。其中主要归为三种直接计算法，逐步破坏法和有限元法。 1 2 1 直接计算法 直接计算法，c a l d w e l l n 在1 9 6 5 年提出将船体总纵极限强度估算为船体横剖面的全 塑性弯矩，通过对受压构件承载能力的折减以说明考虑屈曲的影响。但是该方法没有考 虑加筋板格承受压应力超出极限值后应力的重新分布，因而容易过高估计船体结构的总 纵极限强度值。不过由于这种方法使用简便并具有一定的精确度，往往可以在船体初步 设计中使用。 1 2 2 逐步破坏分析法 逐步破坏分析法，s m i t h q 于上个世纪7 0 年代末提出基于平板，加筋板在轴向压缩 载荷作用下失效问题的研究成果。该法将船中剖面分割成由加强筋及其附连带板组成的 一系列小单元，然后寻求这些小单元的应力与应变之间的关系，再求得当前曲率下的各 单元应变，并根据应力与应变关系寻求各单元的轴向力，接着按平衡条件确定当时曲率 下的中和轴，并按照梁的平断面假定，相应于此时的各单元的应变和应力，可求得剖面 处弯矩。最后可求得剖面处弯矩与曲率的关系曲线，最后求出船体梁极限弯矩。显然各 单元的平均应力与平均应变的关系将影响s m i t h 法的精度。 h u g h e s s 于1 9 8 3 年提出将船体等箱型梁结构分离成加筋单元，进而估算整体极限强 度的方法。d o w 9 等在此基础上发展了曲率增量法，认为船体抗弯刚度对应于弯矩一曲率 曲线的斜率。c o r d o i o 根据受压平板，加筋板的破坏模式，提出了加筋板强度折减因子与 平均应变关系式，以及相应的船体纵向极限强度的简化计算方法。 1 2 3 有限元法 有限元法，通过对整个船体结构进行有限元分析，同时考虑几何和材料非线性的影 响，得到船体结构承载变形破坏的全过程。k u t t 1 1 】等发展了大型有限元程序，但都过于 费时费力。u e d a 1 2 】等基于理想结构单元法( i s u n ) ，提出了用板和加筋板单元模拟双向 压缩拉伸和剪切在和联合作用下船体的屈曲塑性破坏行为，尽管在数学模型上作了大 量简化，但计算量仍较大。p a i k i ”l 等用结构单元法对一些油船进行了破坏分析并应用于 垂向弯矩、水平弯矩和剪力联合作用下船体结构的极限强度分析。自勇( b a iy ) 【1 4 】等在 采用塑性节点法的基础上，提出梁元、板元和剪切元，开发了应用于船体结构极限强度 分析程序，并进行了一系列数值计算，并对一艘双壳油船进行渐进总纵强度破坏分析。 运用数值方法计算船体结构极限承载能力，事先需要对结构的特性作深入了解，根据实 践经验选取合理可靠的求解策略，另外，还需要花费数值建模，求解分析的时间。 1 3 国内发展概况 国内主要偏向逐步破坏方法的研究，主要有： 魏东【嘲就偏向研究船型对极限弯矩及曲率变化的影响，并对具有腐蚀、疲劳损伤 的船体结构总纵强度进行可靠性评估： 何福恚等【1 6 l 建立了船体梁极限承载能力计算方法和计算程序，主要偏向研究加筋 板单元应力应变关系、横向压力、残余应力、材料特性和腐蚀对船体梁极限强度的影响， 并进行了大量的对比计算和时变可靠性分析： 孙海虹掣1 。1 采用逐步破坏分析方法对工s s c 2 0 0 0 特殊委员会的对比研究的算例 进行船体梁极限承载能力计算和受海水腐蚀影响的船体结构极限强度可靠性分析： 胡毓仁【1 8 l 在平板、加筋板拉伸与压缩特性研究的基础上，建立了船体梁极限强度 简化分析方法，并进行一系列计算比较： 祁恩荣等f 1 9 】在假设船体梁整体弯曲破坏时剖面中性轴受拉一侧全部达到塑性极 限，受压一侧全部达到屈服极限，开发了受损船体非对称弯曲极限强度分析方法： 徐向东等陋l 根据箱型梁极限承载能力的模型试验结果，箱型梁模型达到极限状态 时，中和轴附近的弹性区域高度约为型深的三分之一，据此假设剖面极限状态应力分布， 给出了直接计算极限弯矩的公式。 朱胜昌掣2 1 】运用有限元方法，基于s a p s 有限元分析的专用程序，开发了船体结构 专用的有限元分析程序，并进行整船结构强度计算。 郭昌捷等f 蠲对i s l j l l ( 理想单元法) 进行了局部改进，被用于估算散货船及油船碰撞 后的极限强度。 1 4 极限强度研究的展望 随着结构应力分析理论和实验技术的发展，船体结构设计和材料使用日趋经济合 理，船体结构在极端载荷作用下的强度问题就日益突出起来，这已经成为国际船舶结构 力学领域近期的一个热点研究课题。尽管船体梁的极限强度研究己取得了一定的成果， 但是还有许多问题亟待研究和完善。主要有以下几个方面： 大连理工大学硕士学位论文格式规范 i ) 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。 3 ) 船体结构除了有静力稳定性问题外，还有砰击动力屈曲问题。船体砰击是指航行 在波浪中的船舶舰首交替抬离水面又落回水面时水和船体的碰撞。其在船体中部产生的 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屈曲尚处在起步阶段，还需国内外进行 进一步探索。 4 ) 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。 5 ) 关于碰撞和搁浅结构损伤研究，仅发展了几个适合于评价比较设计的简化方法。 而且这些方法中的大多数只适合于特定的冲击情况和结构布置。因此，需要发展一个面 向设计的方法，来评价不同结构布置抗搁浅和碰撞载荷的性能。 6 ) 准确评估剩余强度对碰撞或搁浅后船舶的救援、拖航具有重要的指导作用，需要 一个考虑非对称弯曲和剪力影响的破损结构弹塑性性能的分析方法。 7 ) 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 5 论文的主要工作内容 本论文的主要分为 第一章：绪论部分主要介绍本课题的理论意义和实际应用价值，并对介绍当前流 行的三种船体极限强度计算方法。 第二章：主要介绍论文所采用的计算船体极限强度方法逐步破坏分析法，详细 的介绍了该方法的计算流程，并建立相应的f o r t r a n 计算程序。 第三章：主要介绍了逐步破坏法中对单元的应力应变曲线计算方法，并建立相 应的f o r t r a n 计算程序。 第四章：根据论文所建立的计算方法和计算程序对r c c k i n gn o 2 3 和b ( 恤 n o 2 模型进行极限强度分析 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 第五章：选择3 0 万吨v l c c 为算例，根据本文所建立的计算方法和计算程序对其 进行极限强度分析，并对结果进行分析 第六章；结论部分主要对论文所作的工作进行了总结。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 2 船体结构极限强度分析 2 1 引言 长期以来，船体总纵强度采用经典的线弹性理论，假设船体断面上的垂向弯曲正应 力为线性分布，当离开中和轴最远处( 甲板或船底) 的构件中的应力达到材料的屈服应力 时，所对应的断面弯矩就是始屈弯矩。对于给定的材料，始屈弯矩是由断面的最小模数 确定的。因此，在船级社的规范中通常并不直接给出始屈弯矩的显式，而是代之以最小 断面模数的要求。 但是，当断面弯矩达到始屈弯矩时，断面上只有少数构件开始屈服，并不意味着整 个断面的破坏，整个断面还能继续承载。根据理想弹塑性假设，只有当整个断面的应力 均达到材料的屈服应力时，断面形成塑性铰，从而完全丧失承载能力。这时所对应的弯 矩为塑性弯矩。但由于结构受压时的稳定性问题通常船体断面总是在达到塑性弯矩之前 就发生破坏了，可见塑性弯矩可以看成是船体总纵强度的上刚卸。 同时，纵向构件在受压时有可能因为屈曲而丧失承载能力，因此在计算极限强度时 必须考虑受压构件的屈曲。 对船体总纵弯曲下的破坏机理的深入研究表明，船体的破坏事实上是一个渐进的过 程。当断面上的一个最弱的构件因屈服、屈曲或者两者的某种组合而不能有效地承担载 荷时，将使船体的刚度减小，但由于其他构件仍可以进一步承担载荷，包括失效构件转 嫁来的载荷，因此船体仍能继续承载。随着一个又一个构件发生破坏，船体的刚度逐渐 减小，直到变形急剧增加发生崩溃【硐。 如图2 1 ，船体的总纵极限弯矩应定义为弯矩一曲率曲线的斜率为零的峰值点所对 应的弯矩值。这样定义的总纵极限弯矩计及了包括屈服、屈曲及组合的各种破坏形式和 各构件之间的非线性影响，目前被认为是最为合理的。 目前，主要有三种计算船体总纵极限弯矩方法一直接计算法，逐步破坏法和有限元 法。船体通常由在纵横两个相互垂直的方向设置有加强筋的板架结构船体通常是由在纵 横两个互相垂直的方向设置加强筋的板架结构所组成，它的崩溃形式包括塑性变形和构 件屈曲的多种组合，所以对整个船体结构进行增量有限元分析计算是获得船体机构极限 强度的最精确的一种方法，但是，但由于该方法数据准备量大，且计算时间长，不便在 设计阶段推广应用。而直接计算法往往又无法满足计算精度要求。因此，就产生了一直 沿用到现在的主流计算极限强度的逐步破坏分析法，它既能达到足够的计算精度又大大 简化了计算量。 2 2 逐步破坏分析法基本原理 目前已有的各种逐步破坏分析简法，其基本原理都是相同的，主要区别在于所用的 单元性能曲线有所不同。用简化方法计算时，将船体结构横剖面划分成板格和“硬角” 单元的离散化计算模型。单元性能间的相互影响忽略不计。计算中采用平断面假设。进 一步地，当断面离散化后的单元与断面高度相比足够小，单元断面上的应变可取其形心 处的值均匀分布。加筋板格单元的弹塑性性能由应力应变曲线来表示。研究板格的性 能时必需要充分计及组成板格的那一部分板的非线性性能。硬角单元和拉伸单元认为不 可能发生屈曲的构件，它的性能由材料的应力一应变关系来定义，通常假设是理想弹塑 性的。加筋板格单元由一根加强筋和带板组成，硬角单元由若干相交的板组成，在某些 情况下还包括相交处的加强材。硬角单元在力学性能上是指不可能发生屈曲的构件，它 的性能由材料的应力应变关系来定义，通常假设是理想弹塑性的，其应力应变关系 与理想弹塑性材料的相同 本文结合c c s 最新颁布的刚质海船建造规范建立单元应力应变曲线。 2 3 船体结构的极限状态 船体破坏实际上是一个渐进的过程。当船体截面上部分构件不能有效承载后，将导 致船体刚度减小( 反应到弯矩一曲率曲线上即为斜率减小) ，但其他构件仍可以进一步 承载( 包括失效构件转嫁的载荷和破坏构件应该承担的进一步的载荷) 。船体仍可进一 步承载。但随载荷增加，过多构件的失效会导致船体刚度的进一步减小，在小到一定程 度时，船体就可能发生急剧变形，从而导致整体崩溃，此时为船体的极限状态。 本章主要是以逐步破坏法的理论为基础来介绍计算大型油船船体结构极限强度的 步骤。 2 4 逐步破坏分析法 逐步破坏分析法认为船体结构破坏是个逐步破坏的过程，其总纵极限强度用极限弯 矩来表示。该方法将船体结构离散成由一个个由构件组成的单元，逐步增加船体弯曲曲 率进行加载，并计算离散单元所对应的应力状态，得到船体结构对应的弯矩，来确定整 个船体的弯矩一曲率曲线( 简图如图2 1 所示) ，进而得极限弯矩值来确定船体极限强 度。 船体极限总纵弯矩可以用图2 1 来说明，当船体梁受到中垂或是中拱弯矩作用时， 就使得船体纵向曲率庐逐渐增大，船体梁断面上的反力矩m 亦增大。直至m 增大到某 一点，使d m l d 归o 或改变符号，通常称该点为弯矩m 和曲率妒关系曲线的峰值点，定 大连理工大学硕士学位论文格式规范 义该点对应的弯矩值为船体梁断面的极限弯矩值。初始正切值d m d 惭, 船体梁的弹性 弯曲刚度，它是一个常量且等于e i 。随着曲率必的增加，其弯矩值在一个较大的范围内 变化着。这种变化可以用组成船体梁的结构单元的应力应变关系来解释。所以船体梁 剖面的弯矩一曲率关系曲线取决于每个结构单元的极限强度和其破坏后的力学性能。 u a 岳 。入 舌 ： n c u r v t r u e 、，z 一一 图2 1 弯矩一曲率简图 f i g 2 1b a s i cm o m e n t - c u r v a t u r er e l a t i o n s h i p 2 4 1 分段模型建立 船体模块分析一次只需考虑一个分段，每个分段包含一个骨架间距内的所有主要构 件，在分段的选取上遵循在最不利的工况下选取最容易发生崩溃的单元的原则，即仅器 对其中承受较大载荷的分段进行分析。 2 4 2 模型基本假定 本文根据c c s 最新颁布的2 0 0 6 钢质海船入级规范，在逐步破坏法中做如下假 定【4 l ： 1 ) 计算针对两个相邻横框架之间的剖面进行； 2 ) 船体梁剖面在各曲率下保持平面； 3 ) 钢材的材料特性认为是弹性一理想塑性； 4 ) 船体梁剖面可以被划分为一系列单元，这些单元之问无相互作用 一8 一 2 5 逐步破坏分析法计算流程 2 5 1 逐步破坏分析法计算流程 本文结合c c s 最新颁布的 2 0 0 6 钢质海船入级规范，建立逐步破坏分析法其计 算过程如下： 1 将船体梁横剖面离散成结构单元，即纵向加筋板格单元( 由一根加强筋和宽度为 b 的带板组成) 、硬角单元及横向加筋板格单元。其中硬角单元在力学性能上是 指不能发生屈曲实效的单元，它的应力一应变曲线是材料的力学性能决定的，通 常假设是理想弹塑性的。 2 导出所有单元的应力应变曲线( 又称载荷一端缩曲线) 。 初始步的曲率增量七- 岛。根据船体粱横剖面的弹性剖面模数，得到第一步计算 的中和轴位置。 3 对各单元计算其对于当前曲率的应变、对应的应力，及单元上的力。 4 通过检查剖面上的当前总轴向力来确定新中和轴的位置。调整的位置直到单元受 到的压力和拉力平衡。满足下式即可： l 压力一拉力压力i 压力0 0 0 1( 2 一1 ) 5 叠加所有单元对瞬时中和轴的弯矩得到当前应变下船中截面的总弯矩 f 其中 三 材= ：q 。4 乃 ( 2 2 ) 符 式中：4 为第i 个单元的有效截面积， 6 将当前曲率计算的总体弯矩与前一次的弯矩值比较，判断是否达到极限弯矩值： 如果弯矩一曲率关系曲线的斜率为零或为负值，则结束计算，得到极限弯矩蜕； 否则，返回第3 步，按初始曲率的1 0 9 6 逐步增加，重新计算。 2 5 2 最大要求曲率j ，f 最大要求曲率“，为： ， j 乙3 = l 1 0 4 团v-榭钟(2-3) 其中： 肘一甲板或龙骨处线弹性弯曲应力达到屈服应力时对应的垂向弯矩 m 州。m x ( z v 一卯珊口知1 旷，z v 一胡a ox 1 0 3 ) ( 2 - 4 ) z ，。洲，乙。埘甲板及龙骨处的剖面模数 大连理工大学硕士学位论文格式规范 e 弹性模量 。相应的最小屈服应力 1 ，一”船体梁的惯性矩 2 6 结语 本章主要简要描述了船体结构的破坏形式：分析了逐步破坏分析方法的原理、计算漉 程，并建立了该方法的f o r t r a n 计算程序 大连理工大学硕士学位论文 3 单元应力一应变曲线 3 1 引言 在结构上船舶与海洋工程结构物可看作由大量加筋板组成的箱型梁结构。所谓加筋 板是指加强筋( 如纵骨) 及其带板所组成的构件，而在整个船体结构中，各类加强筋就占 到船体结构钢料的3 0 ，在抵抗载荷作用时起着关键作用。现在大部分船舶都是纵骨架 式结构，沿纵向设置加强筋的加筋板格是船体结构的重要承载构件，它的极限强度直接 决定着整个船体结构的抗弯能力。 使用简化方法计算船体的总纵极限弯矩时将船体断面划分成由板格单元和硬角单 元组成的离散化模型，并假设单元之间相互独立。单元特性用载荷一端部缩短曲线表示。 对于船体总纵弯曲时的每一个曲率值，根据平断面假设以及船体断面瞬时中和轴的位 置，可碍到断面上每个单元的应变，再根据单元的特性曲线可得到单元的应力。断面上 所有单元的应力对瞬时中和轴取矩，即得断面的弯矩。因此首先要计算板格单元和硬角 单元应力应变关系。 本文基于梁一柱理论，结合c c s 最新颁布的钢质海船建造规范建立了单元的 应力应变曲线计算方法。 3 2 单元的失效模式 本文根据c c s 最新颁布的钢质海船建造规范，结合船舶工程的实际情况列出 单元的失效模式如表3 1 所示。其中： 第一种：受拉加筋板单元及硬角单元，对于此类单元，通常认为失效模式为理想弹 塑性，其力学性能由材料性能决定 第二神：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。 第三种：加强筋的腹板的局部屈曲，当加筋板腹板的高厚比较大时易发生此种屈曲。 加强筋为扁钢或折边型材易发生此类失效。 第四种：加强筋的扭转届曲，当加筋板的扭转刚度较小时易发生。如果加强筋高度 大于它的跨距，加强筋就很容易发生侧向扭转失效。 第五种：板材屈曲，通常由横向加强筋组成的横骨架板格发生此类失效。 大连理工大学硕士学位论文格式规范 表3 1 单元失效模式 t 曲3 1f a i l u r em o d l co fe l o m c n t 单元失效模式应力应变曲线见 受拉单元及硬角单元弹性一塑性损坏 3 4 1 梁柱屈曲 3 4 2 扭转屈曲 3 4 3 受压的纵向加筋板单元 折边型材腹板局部屈曲 3 4 4 扁钢腹板局部屈曲3 4 。5 受压的横骨架板格板材屈曲 3 4 6 3 。3 单元应力应变曲线 对于受压加筋板格单元，将其应力应变曲线分为三个区间：稳定区，非卸载区和 卸载区。即在达到极限强度以前的稳定区( s t a b l ez o n e ) ，载荷随变形成线性变化：当达到 极限强度时，载荷保持不变、而变形继续增加，直到开始形成塑性铰，这时称该区为非 卸载区( ( n o 1 0 a d s h e d d i n gz o n e ) ；形成塑性机构以后，变形继续增加，为保持平衡，单元 承载能力开始下降，这时称该区为卸载区。其应力应变曲线简图如图3 。1 所示 图3 1 受压加筋板单元应力应变关系 f i g 3 1s t r e s s s t f a i dr e l a t i o n s h i po fas t i f f c n c dp a n e lu n d e rc o m p r e s s i o n 大连理工大学硕士学位论文 对于受拉加筋板单元和硬角单元，将其视为理想材料计算。其应力应变曲线简图 如图3 2 所示 图3 2 受拉加筋板单元应力应变关系 f i g 3 2s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i po f as t i f f e n e dp a n e lu n d e rt e n s i o n 3 3 1 弹性一塑性损坏 对于受拉单元和硬角单元，其失效模式为弹性一塑性损坏，应力一应变曲线由下式 得出： 盯妒村 ( 3 一1 ) 其中： 曲边缘函数 占相对应变： e 。豆 e 埘 妒苫掣订 对应于单元屈服应力的应交 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 大连理工大学硕士学位论文格式规范 一警 ( 3 - 4 ) d 知材料的最小屈服应力 3 3 2 梁柱屈曲 板格单元受压时可能发生梁柱弯曲形式破坏。由于包括屈曲和后屈曲阶段的性能， 载荷一端部缩短曲线的生成是一个涉及几何非线性和材料非线性的复杂问题。对于受压 单元梁柱屈曲，描述其应力应变曲线由下式得出： 鲰，( 瓮衢 c 其中： 毋边缘函数 呜一织骨的净剖面积 a 白临界应力 其中： 。 0 1 1 ( 卜警) ， ，n 欧拉梁柱屈曲应力 a e l - 石2 e 互i e 。- a ” s o 耐2 1 旷 厶一m 普通扶强材净惯性矩，带板宽为一 一有效带板宽度 。劳当妒1 o i s ，当岛虬0 ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) d净 占 垒2 盟2 i 当 当 大连理工大学硕士学位论文 口一 5 f g a y d 其中如。i 、i 。( 3 - 9 ) s 带板宽度，取为纵骨间距 一”带板的净厚度 傀一一卯普通扶强材剖面净面积 l 矿纵骨跨距，即主要构件间距 一，有效带板宽度 膀学卜纠西 卜，当岛s l 2 5( 3 - 1 0 ) 3 3 3 扭转屈曲 由于板架结构中通常采用角钢、t 型钢之类开口断面型材作为加强筋，它们的扭 转刚度较小，轴向受压后往往会使加强筋侧倾而发生扭转屈曲。加强筋发生扭转屈曲后 板格将失去支承，很快就失去承载能力，从而引起整个板架的破坏。因此这种破坏形式 被认为是非常危险的，受到结构工程界的高度重视。目前，在船体总纵极限强度的研究 中，己认识到必须充分考虑加强筋扭转屈曲这一破坏形式。 对于受压单元扭转屈曲，描述其应力应交曲线由下式得出： 庐( 号磐) 仔 其中： 4 埘如纵骨的净剖面积 s 带板宽度，取为纵骨间距 一鲐带板的净厚度 2 临界应力 大连理工大学硕士学位论文格式规范 l 等，当孚s 。h 警峥： 孚s倍蚴 其中： a 1 2 欧拉扭转屈曲应力 a c ，歌强材带板的极限强度 膀学卜靴1 2 5 【o y d ， 当岛1 2 5 ( 3 1 3 ) 3 3 4 折边型材腹板局部屈曲 对于受压单元折边型材腹板局部屈曲，描述其应力应变曲线由下式得出： 。慨( 毪麓紫) ( 3 其中： 一带板的净厚度 d w 腹板高度 s 带板宽度，取为纵骨间距 f 一阳腹板净厚度 6 ，面板宽度 f ，一卯面板净厚度 氏可腹板有效高度 d 嘶 ( 警芬p 驴l 签 仔 l d 矿 当岛1 2 5 大连理工大学硕士学位论文 s 3 w - t w - n 群5 0 ( 3 一1 6 ) 3 3 5 扁钢腹板局部屈曲 对于受压单元扁钢腹板局部屈曲，描述其应力一应变曲线由下式得出： 叫鼍蓦箍 ) 净m 其中； w 知带板的净厚度 4 - 槲纵骨的净剖面积 s 带板宽度，取为纵骨间距 o ，c 4 _ j 晦界应力 其中： o h 欧拉粱柱屈曲应力 当吒孚s ，孚暑 。1 8 一。叫警) 2净 c r c l m m 其中； o 箨 岛睁2 引2 5 + o - ( - 一高) ( 1 + 剀净2 0 ) 0 嚅5 l 骨跨距，即主要构件间距 大连理工大学硕士学位论文格式规范 3 4 结语 本章分析了逐步破坏分析法中离散单元的六种失效模式；据此得到了单元的应力 一应变关系计算方法；并建立了应力应变关系曲线的f o r t r a n 计算程序。为使用逐 步破坏法打下了良好的基础。并且通过本章的内容，可以得到以下结论： 1 加筋板扭转屈曲应力随着腹板高度的增大而减小。 2 单元板厚的增加可以明显的提高其强度，但对于加强筋的尺寸较大时，板厚的增 加对强度的增加并不那么明显。 大连理工大学硕士学位论文 4 试验模型计算及分析 4 1 引言 通过本文建立的逐步破坏法计算流程和计算程序，对船舶与海洋工程结构的极限强 度进行完整的计算。为了考核计算方法的有效性和计算程序的可靠性情况，必须得到实 船试验的总纵极限弯矩值，这就要求将一艘完整的船试验至破坏。但因船体的特殊性， 对己知的船体进行实船的强度测试是非常困难的。所以我们选用小尺度的简单的箱型梁 模型( 如b o w l i n g 以及r e c l d i n g 模型) 试验的数据。这些试验结果已多次被引用用来说明 计算级向极限强度分析方法的精确度，因此这些结果对于验证本文编制程序方法的准确 性及精确度是合适的。本章就选择b o w l i n g n o 2 模型、r e c l d i n g n o 2 3 模型进行一系列 计算，并与实际试验结果进行比较。 4 2r e c k f i n 9 2 3 号模型分析 4 2 1r e c k l i n 9 2 3 号模型 r e c i n g 做过七个钢梁模型的纯弯曲破坏试验，其中n o 2 3 模型的加强筋数目最多， 也最接近实船模型，因此取该模型作为一典型试验算例，其横段面如图4 1 所示，断面 为对称结构，试验模型在材料的选取上均选用的是普通钢，模型尺寸和材料性质参数见 表4 1 。 表4 1r e c k l i n gn o 。2 3 模型性质参数 t a b4 1p r o p e r t yp a r a m e t e r so fm o d e lr e c l d i n gn o 2 3 1 9 - 大连理工大学硕士学位论文格式规范 图4 1r c c h m gn o 2 3 模型横断面 f i g 4 1c r o s ss e c t i o no fm o d e lr e c k l i n gn o 2 3 4 2 2 单元划分 由图4 1 ，图中虚线将r c c k i i n g n o ，1 3 模型划分为三种单元：r 1 ( 9 0 0 x 2 5 + 3 0 o 2 0 0 x 2 5 ) ，r 2 ( 1 0 0 0 x 2 5 + 3 0 0 2 5 ) 和角单元r 3 0 0 0 x 2 5 + 5 0 0 2 5 ) ，其中 r 1 和r 2 单元为加筋板单元，l b 为硬角单元。根据假设r 3 为理想弹塑性单元，故只需 对r 1 ，r 2 两种单元进行应力应变关系计算。 4 2 3 单元应力应变曲线 本文选取r c c k l i n 醇3 号模型进行极限强度实例分析。模型横截面见图4 1 ，几何尺寸 和结构参数见表4 1 。单元跨度为5 0 0 m m 。 建立加筋板单元应力一应变曲线如图4 2 ，4 3 所示 图4 2 和4 3 分别为r e c k l i n gn o 2 3 模型的r 1 和r 2 加筋板单元的应力应变关系 曲线图。对于融，计算结果：极限应力为2 0 7 6 n m m 2 ，对于r 2 ，计算结果：极限应力 2 0 3 1 8 n m m 2 大连理工大学硕士学位论文 图4 2 r 1 应力应变关系曲线 h g 4 2s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i po fe l e m e n t r 1 图4 31 1 2 应力应变关系曲线 h g 4 3s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i po fe l e m e n tr 2 2 1 大连理工大学硕士学位论文搭式规范 4 2 3 r e c k i i n gn o 2 3 模型极限强度 本文选取r 蛐9 2 3 号模型进行极限强度实例分析。通过逐步破坏分析法，得出 r c c ：i 【l i n 9 2 3 号模型的弯矩一曲率曲线如图4 - 4 ，计算得到其极限强度2 1 7 1 驴轫聊，试 验值为z 3 6 1 0 8 啪m ，与试验误差为8 0 5 ，满足计算精度要求。 图4 4r c c i d i n gn o 2 3 弯矩一曲率曲线 f i g 4 4m o m e n t - c u r v a t u r er e l a t i o n s h i po fm o d e lr e c k l i n gn o 2 3 4 3b o w l i n gn o 2 模型分析 4 3 1 b o w l i n g n o 2 模型 b o w l i n g 等人做了六个钢梁模型的破坏试验。其中2 号模型最具代表性，因此取该 模型作为一典型算例，对其进行逐步破坏分析。其横断面如图4 5 所示