（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）单双舷侧散货船结构可靠性分析.pdf

中文摘要 散货船的舷侧结构是整个船体结构中最薄弱的环节之一，为了有效解决散货 船船体结构和营运过程中出现的这些问题，散货船的双壳化日渐提上了国际海事 界的议事日程。 本文研究了静水弯矩和波浪弯矩作为随机过程的分布形式，并利用船中横剖 面的极限弯矩建立了散货船总纵强度的可靠性方程。在极限弯矩的计算过程中， 与以往不同的是本文采用逐步破坏法进行计算。在可靠性分析阶段，本文使用了 一种新型的蒙特卡罗模拟和一阶可靠性方法综合使用的混合方法，利用蒙特卡罗 模拟方法用较少量的模拟产生船体极限弯矩的概率分布，接下来使用传统的一阶 方法计算船体的失效概率和可靠性指标，提高了计算精度。 本文以一艘散货船为实例，分别计算了单双壳两种结构形式下的船舶的极限 弯矩分布，并对船体总纵强度进行可靠性评估及敏感系数计算。结果表明，双舷 侧几乎使剪力下降为原来的一半，大幅提高了抗剪能力，双舷侧结构的可靠 性指标大于单舷侧结构，但对总纵强度影响不是很明显，船体可靠性指标计算结 果合理，比传统方法提高了计算精度，并且由各变量的敏感系数得知，对船体可 靠性影响最大的是船体极限弯矩，其次为波浪弯矩，静水弯矩及其他变量影响相 对较小。 关键词：双壳化；散货船；极限弯矩；蒙特卡罗法；可靠性 a b s t r a c t f o rb u l kc a l t l e r s ，t h es i d es h e l li so n eo f 也ew e a k e s tp a r t so ft h eh u l l i no r d e rt o s o l v e t h e s ep r o b l e m sw h i c h a p p e a ri nh u l ls t r u c t u r ea n dt h ep r o c e s so fm a n a g i n g ，a n d i m p r o v et h es e c u r i t y o fb u l kc a r r i e r s e s p e c i a l l y t h es e n i l eb u l kc a r r i e r s ，t h e d o u b l e - h u l ls t r u c t u r eo fb u l kc a r r i e r si sp u tt ot h es c h e d u l eo fl m oi n c r e a s i n g l y i nt h i sa r t i c l e ，t h ed i s t r i b u t i o n so fs t i l l - w a t e ra nw a v e - i n d u c e db e n d i n gm o m e n t s a r es t u d i e d t h e nt h eu l t i m a t ec o l l a p s eb e n d i n gm o m e n to ft h e 血d s h i pc r o s ss e c t i o n i su s e da st h eb i a sf o r t h e r e l i a b i l i t y f o r m u l a t i o n o t h e rt h a n b e f o r e ，t h e g r a d u a l l y d e s t r o ym e t h o di su s e d ah y b r i da p p r o a c hb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ( m c s ) t e c h n i q u ea n dt h ef n s to r d e rr e l i a b i l i t ym e t h o d ( f o r m ) i sd e v e l o p e dt oq u a n t i f yt h es m a l lp r o b a b i l i t yo fah u l lg i r d e ru n d e rl o n g i t u d i n a l b e n d i n g t h ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no ft h eu l t i m a t es t r e n g t h i sd e t e r m i n e db y p r o p a g a t i o no ft h eu n c e r t a i n t i e sa s s o c i a t e dw i t hh u l lg e o m e t r i ca n dm a t e r i a lp r o p e r t y p a r a m e t e r sv i aas m a l ln u m b e ro fm o n t ec a r l os i m u l a t i o n s t h ef o r mb a s e d s o l u t i o nm o d u l ei st h e na p p l i e dt oc o m p u t et h ep r o b a b i l i t yo ff a i l u r ea n dt h e r e l i a b i l i t yi n d e x a ne x a m p l eo fab u l l ( c a r r i e ri sg i v e n t h eu l t i m a t em o m e n ta n dt h er e l i a b i l i t y i n d e xa r ec a l c u l a t e di nt w of o r m s ：as i n g l e h u l la n dad o u b l e - h u l l 砀er e s u l ti n d i c a t e t h a tt h ed o u b l e h u l ls t r u c t u r eh a sl i t t l e e f f e c t so nt h el o n g i t u d i n a ls t r e n g t h t h e s e n s i t i v i t yv e c t o ri sa l s oc a l c u l a t e d ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a t ：i nr e l i a b i l i t yc a l c u l a t e ，t h e m o s ti m p o r t a n tr a n d o mv a r i a b l e si st h eu l t i m a t e m o m e n t ，t h ef o l l o w i n g i s w a v e i n d u c e db e n d i n gm o m e n t s ，a n dt h es t i l l - w a t e rb e n d i n gm o m e n t sa n do t h e r r a n d o mv a r i a b l e sa r el e s si m p o r t a n t k e yw o r d s ：d o u b l e h u l l ；b u l kc a r r i e r ；t h eu l t i m a t eb e n d i n gs t r e n g t h ；m o n t e c a r l os i m u l a t i o n ；r e l i a b i l i t yi n d e x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杏n 日 签字日期： 硼7年j 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权岙鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鸯p 向 签字吼词年月巧日 锄虢么纺准 签- 7 - - 日期：冽年月万日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 散货船发展概况 1 1 1 发展历史 第一章绪论 煤、谷物、矿石等干散货，早先是由杂货船承运的。随着船舶专用化发展， 在2 0 世纪初出现了铁矿石专用运输船，1 9 1 2 年又出现了自卸矿石船。直至第二次 世界大战，散货船是以矿石运输船和运煤船为主发展起来的。二战后，水泥、化 肥、木片、糖等也开始采用散装运输方式，散货船应用范围和船队规模快速扩大。 世界散货船保有量由1 9 5 4 年的6 1 艘、1 1 6 7 万载重吨( 其中矿石船占7 0 ) 增至 1 9 6 0 年的4 7 1 艘、8 7 1 1 万载重吨( 其中矿石船占5 7 ) 。此后，散货船数量以更高 的速度增长，在1 9 6 0 一- - 1 9 9 0 年的3 0 年间，散货船艘数增长9 8 倍，载重吨数增长 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。按英国劳氏船级社统 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 l 万载重吨，平均船龄为1 4 5 年。 1 1 2 大型化历史 散货船发展的另一特点是船舶大型化。1 9 5 4 年时，平均单船吨位仅为1 9 万 载重吨，1 9 7 3 年起超过4 万载重吨， 目前已达n 5 4 万载重吨。散货船队平均单 船吨位的增长，主要是6 万8 万载重吨巴拿马型、1 2 万 - 2 0 万载重吨好望角型和 4 万6 万载重吨大灵便型船的增加，而4 万载重吨以下散货船数量明显下降。同 时， 各型散货船的平均吨位也呈现增大趋势。据一家海运信息服务公司统计， 好望角型散货船的平均吨位，1 9 9 0 年为1 2 9 4 1 5 载重吨2 0 0 3 年已增至1 6 1 0 8 8 载 重吨，同期巴拿马型散货船平均吨位由6 4 2 9 4 载重吨增至6 9 9 7 0 载重吨，灵便型 散货船由3 0 4 2 3 载重吨增至3 9 1 9 1 载重吨。其中巴拿马型散货船由于受巴拿马运河 宽度限制1 3 年间只增加了5 3 7 6 载重吨，远低于好望角型( 增加了3 1 6 7 3 载重吨) 。 推动散货船大型化的主要因素有三个，即( 1 ) 大型船的经济性较高；( 2 ) 设计和制 造技术水平提高；( 3 ) 码头港口设施扩大、改进。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 当前散货船船东地区分布 按散货船实际船东所在国统计，希腊拥有的散货船载重吨位高居世界之首， 其次是日本。中国大陆船东拥有散货船已达2 5 7 7 8 万载重吨，如果加上香港特区 和台湾省，总量达5 3 2 6 4 y 载重吨，超过日本居世界第二。 1 2 散货船安全分析乜1 全世界每年大约有2 0 多亿的干散货投向海上货运市场，占全世界海运量的l 3 ，而投放到世界海运市场的散货船运力达2 7 4 5 亿载重吨，占世界船队总运力 近4 0 。正因为散货船在世界海运中的重要地位，其安全性、经济性、环保性以 及散货船船型未来发展趋势引起了全世界的高度关注。 自2 0 世纪8 0 年代n 9 0 年代的2 0 年里，散货船发生了太多的海损事故，共约有 1 7 0 条散货船失事和1 3 0 0 余名船员遇难。i a c s 公布的正式安全评估规程( f s a ) 中对不同类型船舶的风险进行了评估，散货船比其他类型的船舶( 包括油轮) 有着 更高的出事风险j 特别是9 0 年代，散货船失事出现了高峰。在1 9 9 1 2 0 0 2 年的1 2 年里8 0 8 名船员失去了生命，1 4 3 艘1 万载重吨以上的散货船灭失。许多散货船沉 没时都装载有高密度的货物j 鉴于这种情况，i a c s 、i m o 和其他各机构开始采取 一些措施来提高安全性，这些措施的采取一定程度上改善了这种严峻的形势：船 龄是散货船灭失的一个起作用的因素。1 9 9 3 2 0 0 2 年间沉没散货船的平均年龄 是2 0 6 年，而同期散货船队平均年龄是1 4 8 年，船龄在1 5 年及其以上者占了那段 时期内灭失散货船的8 9 8 。而到了2 0 0 3 年就只有4 艘1 万载重吨以上的散货船被 确定全损，无人伤亡，所有的损失没有一个是因结构损坏、倾覆或装卸程序造 成的。散货船滞留数量也有所下降。与前面的统计资料相比，改进的程度显而易 见，这说明安全措施取得了实效。造成散货船沉没的原因很多，i n t e r c a r g o2 0 0 3 年发布的b u l kc a r r i e rc a s u a l t yr e p o r t ( 代表1 9 9 2 , - 一2 0 0 2 年间失事的1 00 0 0d w t 以上的散货船) 表明，主要有下列几种情况( 见表i - i ) ： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表卜11 9 9 3 - - - 2 0 0 2 年散货船灭失的起因 灭失灭失 灭失原因百分比灭失原因百分比 艘数艘数 触底 2 4 2 2 0 2 消失未知原因 7 6 4 2 结构 1 81 6 5 1 货物装卸 32 7 5 机械失火爆炸 1 51 3 7 6 货物着火爆炸 2 1 8 3 碰撞1 51 3 7 6 倾覆或货物移位 21 8 3 进水 1 51 3 7 6 与物体碰撞 10 9 2 机器故障 7 6 4 2 散货船海难中部分是由于潜在的缺陷导致船舶破损。通过分析，许多散货船 沉没是由于一舱进水或是一舱进水后横舱壁倒塌造成的，并且大部分的海损出现 在最前端货舱( n o 1 ) ，而n 0 1 货舱进水又最容易导致船舶沉没。从1 9 9 3 年开始， i a c s 就开展了进水状态下n o 1 货舱强度的研究，其中包括防止进一步进水的能力 和破舱稳性。人们把n 0 1 货舱进水后的强度和破舱后的稳性作为船舶的第二道防 线。 在9 0 年代早期，关于散货船安全的调查研究发表了很多，主要发现如下： 1 ) 舷侧板的严重局部腐蚀导致破裂和前端货舱进水： 2 ) 横向槽形舱壁在各种腐蚀情况下缺乏抵抗货舱进水形成的高水头压力而失稳； 3 ) 在用推土机和重型抓斗卸载时可能对舷侧结构产生物理损伤； 4 ) 对双层底和船体梁的过载损伤，尤其在采用高速装载或装载重货时； 5 ) 进行大宗货物装载时对甲板结构的损伤。 防止单壳散货船进水的首要屏障是： 1 ) 舱口盖和前甲板装置； 2 ) 附有侧肋骨的船侧板。 艏舱进水最容易导致完全沉没，并且经过评估，货舱进水占散货船伤亡总数 的4 0 。船体结构上有三个区域被认为在过去的海损事故中是主要的相关区域， 他们是： 1 ) 货舱肋骨和肘板； 2 ) 槽形横舱壁； 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 舱口间甲板结构。 赞舱 舱口闻甲扳结构 图1 散货船易破损区域 在1 9 8 2 , - - 一2 0 0 1 年这段时间内，导致常规散货船沉没的船体损坏约占报告灭失 船舶的7 2 。船侧板撕裂或损坏是导致散货船灭失的最主要原因。这些数据被一 项由国际海事组织( i m o ) 进行的研究( f s a ) 证实，并由英国在2 0 0 2 年3 月份提交给 海上安全委员会( m s c ) 。 这项研究证实对任何尺寸的散货船而言，船侧板损坏在纪录的灭失船舶中占 主要部分。通过比较，还有部分灭失是由于舱口盖失效。下面引用的就是i a c s 公布的正式安全评估规程( f s a ) 中部分统计数据，它能够告诉我们外板破损 在海损事故中扮演的角色。这些数据来自1 9 7 8 一- - 1 9 9 8 年间失事的2 00 0 0d w t 以 上的散货船，共有1 2 4 9 个事故样本，代表着7 3 6 0 0 船龄。 图2 中事故分类把沉没、灭失和船体破损放到了一起，这主要是因为无法准 确地将它们区分开来。可以看出侧板失效和舱口盖失效是船舶事故的主要原因， 而这其中侧板失效又是重中之重。舱口盖失效很早就引起了重视，早在1 9 9 7 年就 采用了i a c s 旨在加强舱口盖强度的统一要求u r $ 2 1 并1 9 9 8 年7 月1 日起在新造船上 实施。后来i a c s 对其重新进行了修订并在2 0 0 2 年1 1 月2 6 日的m s c 7 6 次会议上获得 通过。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 12 4 9 事故石36 0 0 船龄 圈园圈圈 图1 2 海损事故风险分布表 1 3 散货船的双壳化嘲 鉴于上世纪9 0 年代以来不断发生的大型老龄散货船重大海难事故，为了提高 船舶安全性能，减少船舶事故的发生，国际船级社联合会( 1 a c s ) 和国际海事组织 ( 1 m o ) 等先后颁布了许多有关改善散货船强度及安全的公约和规范。如增强货舱 肋板的u r s l 2 、增强散货船一舱破损后总纵强度的u r s l 7 、加强横舱壁的u r s l 8 & u r s l 9 、统一散货船船级符号和设计载荷的u r s 2 5 等等。近来，散货船的双壳 化又是一项重大改进措施。 虽然关于双壳散货船的各项技术要求目前仍然在不断完善和明确中，但双重 船壳的设计思想在船舶设计中并非首次出现。为了减少油轮因为碰撞或触礁等引 起的漏油事故，油轮双壳化已在上世纪9 0 年代强制实施，单壳油轮正在加速退 出世界航运市场。基于上文的分析可知，对散货船而言，双壳化的出发点是为了 增强船舶舷侧结构抵御货物相关的腐蚀及机械损伤的能力，同时，防止船体外壳 破损后货舱进一步进水。此外，双壳散货船对节约在港卸货时间和货舱清理时间 以及货舱维护费用等同样有着显著的优势。 进行双壳散货船设计或将单壳散货船双壳化过程中，都将面临如下几方面的 问题： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 选择双壳的结构形式： 一般来说，散货船双壳的结构形式主要有纵骨架式和横骨架式两种。当然也 有一种混合骨架形式，即将前两种不同的骨架形式分别运用在内外壳上。无论何 种结构形式，为了保证必要的强度和安全通道的布置，水平桁材及垂直强肋板在 双壳的结构中都必不可少。 纵骨架形式常见于双壳油轮的设计中，其纵骨的疲劳强度问题以及由纵骨传 递外板压力至垂直强肋板形成的剪力等问题，在纵骨架式的双壳散货船设计中都 是需要注意的。横骨架式双壳的优点是各肋骨能将外板压力均匀传递至上下边舱 从而避开了产生承受过大剪力的构件，其缺点是分段划分后会产生过长的现场对 接焊缝，从而引起构件数量增加。因此实船设计中具体采用何种结构形式，还要 对各种形式进行分析对比，根据构件重量、构件数量、焊接长度、制造工艺等各 方面因素综合考虑确定。 ( 2 ) 确定双壳的宽度： 7 7 次海安会( m s c ) 明确了双壳散货船双壳构造的最小宽度要求，即无论何种 形式的双壳结构其内外壁间的宽度不得小于1 米；对于横骨架式的双壳结构，其 强肋板上开孔最小净空间不得小于6 0 0 毫米；对于纵骨架式的双壳结构，其纵骨 间的最小空间不得小于8 0 0 毫米，在船首尾部及个别不连续的舾装件或纵骨端部 肘板等处可以放宽到6 0 0 毫米。 上述的规定出发点是保证双壳结构的强度以及检验和检修时交通的可行性。 在设计双壳散货船时必须根据散货船的总尺度，并综合考虑货舱和压载舱容积及 双壳的结构形式及其内部的通行要求等来具体确定一个适宜的双壳宽度。 对于大灵便型散货船，若取1 3 米的宽度双壳化后货舱舱容损失率不到5 。 船型越大，同样的双壳宽度引起的舱容损失越小。 c ( 3 ) 确定双壳区划的功能： 将双壳区划作为压载水舱或空区划是常见的两种不同设计思路。如果将双 壳区划作为空区划，其优点是可以降低区划内的涂装防腐费用，但其缺点也显而 易见，需要为其单独增加测深、通风等辅助舾装件。如果将双壳区划作为压载水 舱，则通过此压载舱可以将上下边舱相通或相隔，从而省去了某些船东不喜欢的 单壳散货船上下边舱的连接通道。同时，如果总压载量满足重压载条件，则可以 天津大学硕士学位论文第一章绪论 取消将货舱兼作压载水舱的设计。由此，货舱压载相关的货舱局部补强、货舱特 殊涂装要求、前后横舱壁的特殊结构设计、货舱压载相关的舾装设计等都可以大 大简化或者取消。此外，对于取消货舱兼作压载水舱引起的在港干舷过高从而影 响部分港口的货物装载问题，可以通过设计仅在港口使用压载货舱等方法解决。 1 4 单壳体和双壳体散货船的优缺点 双壳体散货船由于其安全性引起了国际上的普遍关注，并在m s c 7 6 会议上通 过强制采用双壳结构的决定。但在国际上引发了一系列争论，因为单壳体和双壳 体散货船都有各自的优缺点。图3 为双壳体散货船货舱典型横剖面图，图4 为单壳 体散货船货舱典型横剖面图： 图卜3 双壳体散货船货舱典型横剖面图 月a 罗步1 一。i 、 薹j名 ：惑 ， 一 。 口。 因此要想由p u 位，丁) 反推口，必须按较高概率水平肋反推。 天津大学硕士学位论文第二章作用在船体上的载荷 图2 3 超越概率示意图 在船舶规范中，一般都给出了对应2 0 年的静水弯矩的设计值，j t i d n v 的静水 弯矩设计值为静水载荷2 0 年极值的特征值： = - 啪o 0 6 5 c w 抛l 2 8 5 ( c 。b + 吣0 7 q ) ，黧 浯3 ) 式中，厶b 、q 分别为船的长度、宽度、方形系数，g 为波浪系数 f 1 0 7 5 一( ( 3 0 0 一l ) 1 0 0 ) 3 7 2 1 0 0 l 3 0 0 g = 1 0 7 5 3 0 0 l 3 5 0 在船体结构可靠性分析中，静水弯矩对船体强度的影响比波浪弯矩的影响要 小，通常只占波浪弯矩的1 0 - - 3 0 左右，因此，对某些军船作可靠性分析时，不 考虑静水弯矩的变异性而视其为常值。本文在可靠性分析中，将一次航行中的静 水弯矩视为常数，而在长期预报中作为随机变量来处理。 2 3 波浪弯矩 2 3 1 波浪载荷简介1 0 3 波浪载荷是由于波浪作用产生的作用力。包括垂向和水平的弯矩、扭 矩、剪力、水压力，同时还有瞬时作用力，如砰击力等。由于海浪具有随 机特性，因此波浪载荷无论从短期还是从长期来说都是一个随机过程。 在波浪载荷中最主要的部分就是垂向波浪弯矩m 。，因此本文中主要研 天津大学硕士学位论文第二章作用在船体上的载荷 究的就是垂向波浪弯矩。由于海洋的随机特性，垂向波浪弯矩是一个统计 过程。可以通过短期或长期统计或通过概率估计进行描述。长期统计要基 于在所关心的参考周期时间内短期统计的结果。尤其是船级社在制定关于 波浪载荷设计值的相关规定时必定要根据长期统计的结果。预测波浪载荷 的长期分布通常基于线性分析结果，之后考虑非线性影响，以实验和实船 测量为基础对其进行修正。 作用在船体上的波浪弯矩，可以视为海面起伏波动的响应。短期的平稳响应， 可通过谱分析求出，相应的峰值为r a y l e i g h 分布。长期的峰值响应可由短期的平 稳响应通过考虑不同的海态、航向角、航速、载荷条件及不同海态的相对持续时 间加权概率平均求出，并可适当考虑响应的非线性、人为的控制因素等。 按以上方法确定的长期峰值响应，常用理论概率模型拟合，经验表明， w e i b u l l 分布是合适的选择： f ( x ) = l e x p - ( 土- - - ) 4 】 ( 2 5 ) 大量的计算表明a 接近于1 ，参数仃可按波浪弯矩的规范设计值确定。 在本文的计算中，将m 。记为设计寿命周期t o 内指定的波浪弯矩的最大 值，每个独立的虬的累积分布函数如下： 酬= 1 - e x p 卜瓦矧二 6 ) 式中：u 。为波浪弯矩的平均到达率也可以称为一个波浪周期的平均到 达率；h 。为形状参数，其变化范围在0 8 6 一1 0 7 ，十分接近于1 ( 通常取h 。一 1 ，亦即线性波浪弯矩的长期分布基本上符合指数分布1 。必须指出的是以上 公式是在假定各波峰之间互相独立的前提下得出的，然而事实上，在同样 的海况下波峰之间是相关的。换句话说，公式中的m 。可以看作是每种海况 下的最大弯矩，相应的u 。变为一种海况的平均到达率，这样就可以将弯矩 之间的相关性忽略。 根据d n v 规范【17 1 ，如果设计寿命t o = 2 0 年，则指定最大垂向波浪弯矩 如下式所示： 天津大学硕士学位论文第二章作用在船体上的载荷 = 心意糍n 7 黑 协7 ， 2 3 2 非线性影响 非线性响应的影响对于万形系数小的船舶来说是至关重要的，它将引 起中拱弯矩和中垂弯矩之间的差异。 这一影响在国际船级社联合会( i a c s ) s l l t 3 2 3 规范1 9 9 3 年的修订本中得 到了认可。在该修订本中给出了中拱弯矩与中垂弯矩坞的比值： 吲= 器 8 ， 式中如果方形系数c b o 6 则取0 6 。 该表达式明确了方形系数对于非线性响应的重要性，这在参考文献 1 1 中也有提到，给出的表达式如下： 丝= 1 7 4 一o 9 3 c b (29)m r 警吼2 6 + o 9 3 c b ( 2 - 1 0 ) m ， 式中m ，是线性波浪弯矩。 2 4 载荷直接计算的指导性说明口2 1 中国船级社对双舷侧散货船结构强度计算的过程给出了指导性说明，现将与 载荷直接计算的部分摘录如下： 2 2 船舶静水载荷的计算 2 2 1 重量曲线 将各项重量( 船体、设备、货物) 沿船长方向分解成梯形重量分布块，逐项 叠加形成给定工况下的船体、设备及货物重量曲线w ( x ) 。 对于船长1 5 0 m 及以上的双舷侧结构散货船建议以 肋距 计算重量分布曲线。 2 2 2 浮力曲线 ： 1 6 天津大学硕士学位论文第二章作用在船体上的载荷 基于船舶静水平衡条件，求得船舶的平衡浮态( 以首吃水、尾吃水表达) 进 而求得沿船长分布的浮力曲线b ( x ) 。 2 2 3 剪力、弯矩曲线 作用在船体梁上的静水剪力m ( x ) 和静水弯矩鸠( x ) 为： n s ( x ) 2j ：【似曲一6 ( 曲 出 拼 心( z ) = r 虬( 工) 出= rr w ( 石) 一6 ) d x a x k n m 船体首尾端是自由端，首尾端点处的剪力、弯矩计算值不为零时，需对剪力 曲线和弯矩曲线予以修正。 2 3 波浪载荷 2 3 1 适用范围 本节建议的计算方法适用于：l 5 0 0 ml d 1 7 2 3 2 计算方法及其假定 ( 1 ) 波浪载荷可用二维线性切片理论或三维线性理论进行计算。 ( 2 ) 海况条件： 海浪谱采用下述p m 谱： 跏嘲：肛4 和5 e 即( - 参) c o s 2 口一詈 3 l00 为其他值 式中：目组合波与主浪向的夹角，r a d ； 一2c 。s ：口能量扩散函数； 日。- 有义波高，m ； 万； 互海浪跨零周期，s ； 缈波浪圆频率，r a d s 。 进行波浪载荷长期预报时认为对应每一周期的波高呈r a y l e i g h 分布，而航 向属于均匀分布。 ( 3 ) 计算波浪弯矩时取航速为o k n ，计算波浪压力时取为船舶设计航速的2 3 。 ( 4 ) 计算波浪弯矩时概率水平取1 0 一，计算波浪压力时概率水平取l o 4 。 2 3 3 船舶的横摇惯性半径可取为：0 3 5 b ( 满载) 0 3 2 b ( 压载) 船舶的横摇临界阻尼系数可取为：0 1 0 。 天津大学硕士学位论文 第二章作用在船体上的载荷 2 3 4 波浪载荷计算： ( 1 ) 垂向波浪弯矩坼和剪力乃 设按上述方法和规定计算所得的船中剖面波浪垂向弯矩为，则沿船长 的设计波浪弯矩尥为： 中拱 鸩( + ) = m c 册 埘聊 中垂 以( 一) = 一m k n m 式中：耽由程序计算所得的船中剖面处的垂向弯矩，k n m ； m 弯矩沿船长的分布系数，一般情况下可按c c s 钢质海船入级与建 造规范( 2 0 0 6 版) 选取； ，非线性修正系数，按下式确定： 。奴1 再10 ( 面c b + 而0 7 )一=莜再1甄90c而bchb。莜再瓦而2 聂再甄而 式中：g 方形系数，不少于o 6 。 设垂向波浪剪力的程序计算值为昂，则沿船长的设计垂向波浪剪力e 为： 中拱 乃( + ) = 互g 昂 k n 中垂 墨( 一) = 一e g 昂k n 式中：以由程序计算所得的船中剖面处的垂向剪力，k n ： 互，e 剪力分布系数，可按钢质海船入级与建造规范( 2 0 0 6 版) 选取 g 修正系数，按表2 3 4 确定。( 本文省略) 天津大学硕士学位论文 第三章极限弯矩的计算 3 1 简介3 1 第三章极限弯矩的计算 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。 极限强度的概念早在上世纪五十年代就由v a s t a 提出。近几十年的研究表明， 在分析箱梁极限强度时，必须考虑构件的屈服、屈曲等各种可能的破坏模式，要 考虑构件失稳后非线性性能的影响以及箱梁各个构件破坏的渐进性质、相互作用 和由此引起的载荷分布的变化等。近年来，基于结构极限强度的极限状态设计法 在结构工程领域得到了很大的发展。而在船舶工程中，用极限承载力理论的设计 方法来取代传统的线弹性应力理论的设计方法也己成为一种趋势。在设计中，船 体的结构安全余量应定义为极限承载力与船舶可能承受到的最大弯矩之间的差 值。因此，极限强度的计算方法是当今在箱型梁结构设计中的一个热点问题。对 于船舶来说，在计算其总纵极限弯矩时，由于要计及材料和几何非线性因素而变 得非常复杂。 目前，估算在纵向弯曲载荷情况下船体梁的极限强度主要有两种方法，一种 方法是直接计算船体梁的极限强度，另一种方法则是对船体梁进行渐进破坏分 析。下文将对这些方法分别进行简要的介绍。 3 2 直接计算方法 3 2 1c aid w eii 方法4 1 c a l d w e l l 在1 9 6 5 年首次提出从理论上估算纵向弯曲载荷情况下船体改良极 限强度的方法。他提出了对船体构件失稳和屈服现象进行考虑的所谓“塑性设计 方法。他将得到加强的船体横截面理想化为等效厚度的未经加强的横截面。如果 天津大学硕士学位论文第三章极限弯矩的计算 受弯曲变形等效桁的压缩边发生了失稳现象，则压缩边上的压应力就不可能达到 屈服应力，也不可能达到全塑性弯矩。c a l d w e l l 在受弯曲变形等效桁的压缩边引 入了一个应力折减系数，由该经折减的应力所产生的弯矩被认为是船体梁的极限 强度。他采用了不同的应力折减系数，进行了一系列的计算，并讨论了失稳对船 体梁极限强度的影响。 在c a l d w e l l 提出的方法中，由于船体梁上某些结构件的应力超出这些结构件 材料极限强度而使其承载能力降低的问题没有加以考虑，因此，对船体梁极限强 度的估算值通常都会偏高。另外，在c a l d w e l l 时代，还无法准确地得到构件的应 力折减系数，也不能计算船体梁的真实极限强度。但是，c a l d w e l l 的方法看来还 是合理的，并且自从它被提出之后，在以下几方面得到了一些改进： 1 ) 推导出了失稳导致的应力折减系数准确值； 2 ) 引入了因各个结构件破坏所带来的相位滞后效应： 3 ) 引入了结构件的应力超出材料极限强度所产生的卸载效应。 3 2 2 对c aid w e | l 方法的改进 提出c a l d w e l l 方法2 4 年之后，m a e s t r o 和m a r i n o 在1 9 8 9 年将c a l d w e l l 公式扩 展应用到受双向弯曲载荷的情况，并对公式进行了修改，用于估算由于搁浅和碰 撞所产生的船体损伤对船体梁极限强度的影响。n i s h i h a r a 在1 9 8 3 年采用 c o l d w e l l 方法计算了一艘船体的极限强度，改进了强度折减系数的精确性。也有 许多研究人员提出了类似的公式，如e n d o 等人在1 9 8 8 年以及m a n s o u r 等人在1 9 9 0 年都用他们自己的公式提出了估算船体梁极限强度的简化计算方法。p a i k 以及 m a n s o u r 在1 9 9 5 年也提出了预测船体梁极限强度的简化方法。p a i k 等人在1 9 9 8 年 采用这种方法进行了考虑腐蚀损伤的可靠性分析。 虽然以上所述的方法不能明确地考虑由于结构件的应力超出结构件材料极 限强度而使强度降低的问题，但是在许多情况下，船体梁的估算极限强度与测量 计算值的一致性还是很好的。p a i k 以及m a n s o u r 在1 9 9 5 年将预测结果与实验结 果以及i s u m 分析结果进行了比较，两者的误差在一1 9 + 9 1 之间。 3 2 3 经验公式和相互作用公式 天津大学硕士学位论文第三章极限弯矩的计算 与c a l d w e l l 方法( 以及改进的方法) 不同的另外一类方法是一些通常用于评 估特殊类型船舶的经验公式。 为了讨论组合载荷( 垂直弯矩、水平弯矩以及剪切力) 问题，有些学者提出了 相互作用公式来预测在每一种载荷作用下的极限强度( 假定每一种载荷是单独作 用的) 。 3 3 逐步破坏法m 1 用c a l d w e l l 方法( 以及改进的方法) 计算船体梁极限强度时没有考虑由于某 些个别结构件的应力超出结构件材料极限强度而使强度降低的问题。所以它没能 表示出结构件的真实破坏行为。忽略某些结构件的应力超出这些结构件材料极限 强度而使其承载能力降低的问题会严重影响整个剖面的极限强度。因此，当模拟 船体的破坏行为时，考虑每一个结构件的强度跌落( 卸载) 是非常重要的。这样的 模拟方法被称为渐进破坏分析方法。下面将介绍渐进破坏分析的几种主要方法以 及一些计算结果。 3 3 1 简化方法( s i n i t h 方法) 如需考虑材料非线性和几何非线性则采用有限元方法( f e m ) 来进行渐进破 坏分析基本上是有可能的。但是，要想获得可靠的结果，则需很大的计算资源及 人力。因此，发展了一些简化的方法，其中最著名的是s m i t h 方法。s m i t h 方法的 基本思想是既考虑了某些结构件的应力超出这些结构件材料极限强度而产生的 强度跌落问题，又考虑了各个构件发生破坏的时间滞后问题。s m i t h 在1 9 7 7 年第 一次通过分析提出横截面没有承受全塑性弯矩。s m i t h 方法将横截面分成许多由 扶强材和所连接的船板组成的小单元，并在进行渐进破坏分析之前，建立各个单 元的平均应力一平均应变关系。 s m i t h 理论认为，承受垂直弯矩和水平弯矩组合作用横截面的渐进破坏行为 可作如下模拟： 1 ) 利用各个单元的平均应力平均应变关系计算每个单元的轴向刚度； 2 ) 利用单元的轴向刚度来估算横截面的抗弯刚度； 天津大学硕士学位论文第三章极限弯矩的计算 3 ) 假设横截面变形后仍保持为平面，只是绕瞬时的中性轴旋转了一个角度( 平断 面假设) ，认为船体梁的垂直和水平曲率是逐渐增大的： 4 ) 计算相对应的弯矩增量及各个单元的应力和应变增量； 5 ) 累计横截面的曲率、弯矩以及应力和应变增量。分别得出累计值。 s m i t h 方法计算结果的精确性在很大程度上取决于单元平均应力平均应 变关系的精确性。主要的困难在于对原始结构不完善性( 变形和焊接残余应力) 所建立的模型、边界条件( 多跨距模型以及相邻单元间的相互作用等) 。这也就是 目前大多数研究工作( g o r d o 和g u e d e ss o a r e s 、p a i k ) 都集中在研究更加可靠的应 力应变曲线上的原因。 3 3 2 有限元方法( f e m ) 对承受纵向弯曲载荷的船体进行渐进破坏分析时，通常采用简化方法，很少 采用一般的f e i v l 方法。这是由于以增量方式进行的渐进破坏分析必须对材料和几 何的非线性进行考虑。对这样的分析而言船体梁可能会由于过大而无法方便地 得到合理的结果。不过，也报道过某些研究取得的结果。 目前，用有限元方法来估算船体梁极限强度的结果还并不多见，这是由于如 要获得合理的结果就需要采用数量非常庞大的单元和节点。但是“n a k h o d k a ”事 故调查委员会采用计算程序l s d y n a - - 3 d 以增量的方式对大约2 0 0 0 0 0 个单元的结 构进行弹塑性大变形分析。另外，为了研究腐蚀损伤对船体梁极限强度的影响， 对现有的灵便型油船、巴拿马型油船以及v l c c 等都进行了类似的分析。 3 3 3 理想的结构单元法( 1 s u m ) 除了s m i t h 方法之外理想的结构单元法( i d e a l i z e ds t r u c t u r a lu n i t m e t h o d - i s u m ) 是另一种简化的方法。这一种方法将比较大的结构单元看成是一个 单元，这样就可减少计算时间。这种方法的关键之处在于建立能同时考虑失稳和 屈服影响的有效而简单的单元( 动态模型) 。 u e d a 等人在1 9 8 4 年发展了一种板和加筋板单元，它能准确地模拟在双向压缩 拉伸和剪切载荷联合作用下的失稳塑性破坏行为。这种方法将四周用纵桁和 横向肋骨加强的加筋板看成一个单元，并得出增量形式出现且考虑了失稳和屈服 天津大学硕士学位论文 第三章极限弯矩的计算 影响的刚度矩阵。p a i k 改进了这样的一种单元，并进行了多项不同的渐进破坏分 析。u e d a 和r a s h e d 在1 9 9 1 年也采用他们自己改进的新单元对双层壳体油船进行了 渐进破坏分析。p a i k 在1 9 9 4 年还尝试在i s u m 中引入单元拉伸行为的影响。 b a i 等人在1 9 9 3 年在塑性节点方法基础上发展了梁单元、板单元以及剪切单 元，并采用这些单元来进行渐进破坏分析。在s m i t h 方法中，单元的特征是用单 向载荷情况下的平均应力平均应变关系表示的，因此，只有在弯矩作用下才 能得到准确的结果。而i s u m 方法能用于任何压缩拉伸、弯曲、剪切和扭转的组 合载荷情况。但是，如想得到准确的结果，就需建立复杂的单元。因此，新的i s u m 单元还有待于今后继续开发。 3 4 用逐步破坏法计算船体梁的总纵极限强度 船体横截面总的弯矩一般包括垂向弯矩、水平弯矩和扭矩等，本文只研究垂 向弯矩单独作用的情况，其弯矩一曲率曲线可用图3 1 表示，船体结构总纵极限 弯矩m 可以定义为弯矩一曲率曲线上斜率为零或符号发生改变的点对应的弯矩 值。假定船体在纵向弯曲变形过程中不发生脆性断裂破坏( 这可通过合理的设计 和提高材料性能达到) ，则船体结构整体弯矩一曲率关系将取决于各个板格的极 限强度和屈服后的行为以及船中截面冗余度等。 i ， 朔“ 一事 - _ 一 1 j 弘。 - _ ，苫氍一- 一- - 一- 图3 1 弯矩曲率关系简图 天津大学硕士学位论文第三章极限弯矩的计算 3 4 1 基本原理 目前已有的各种简化方法，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，还在于对初始变形、残余应力和侧向载荷等影响因素的处 理方法也各不相同。用简化方法计算时，将船体断面( 通常是船肿断面) 划分成板 格或“硬角”单元的离散化计算模型。单元性能问的相互影响忽略不计。计算中 采用平断面假设，断面上应变为线性分布。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。板格单元 的弹塑性性能由载荷一端部缩短曲线( 1 0 a d e n ds h o r t e n i n gc u r v e ) 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。板的应力 一应变关系由平均应力一应变曲线来表示。板格和板的性能均可采用经典理论的 方法、非线性有限元法、试验的方法或经验的方法、半经验的公式得到。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应变关系 来定义，通常假设是理想塑性的。 3 4 2 计算方法 本文的方法假设船体横向骨材足够强，因而板架的整体破坏不会发生；假设 船体材料为理想弹塑性材料；采用平断面假设，断面上应变为线性分布；计算时 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。 用简化方法计算时，加载的方法为逐步增加船体梁的曲率。对每一个曲率值， 根据平断面假设以及船体断面瞬时的中和轴可得到断面上每一单元的应变，由单 元的特征曲线又可进一步得到单元上的应力。断面所有单元上的应力对瞬时中和 轴取矩后，其总和即断面的弯矩。逐步增加曲率进行一系列计算后，可得到如图 3 - 1 所示的弯矩一曲率曲线，曲线斜率为零的点所对应的弯矩值m ，即为总纵极限 弯矩。 计算中一个很关键的问题是瞬时中和轴的确定。瞬时中和轴n 们指的是在一定 曲率下，断面上应变为零的水平轴，其位置可通过令断面所有单元上的应力总和 为零的条件得到。但是，由于一方面单元的应力与应变有关，另一方面单元应变 天津