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1、大连理工大学硕士学位论文基于结构共同规范的船体板屈曲分析姓名：唐亮申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：古长江;邢金有20061201大连理工大学硕士学位论文摘要船体是由加筋板所组成的薄壁箱型梁结构。甲板、船底板、舷侧板和加强筋所构成的加筋板的屈曲和塑性破坏通常容易导致船体梁的总体失效。因此，对于衡量船体结构的安全性而言，对甲板、船底板、舷侧板进行屈曲分析是十分重要且必须的。目前，世界上各主要的船级社在双壳油船结构共同规范( 以下简称共同规范) 未制定之前都发布了自己的结构强度评估规范，作为船舶强度评估的指导性文件。但是由于各个评估方法之间还存在很大差异，则各船级社的安全标
2、准也就存在很大的差别。为此，I A C S编制了共同规范以达到统一强度评估流程的目的，从而提高航行船舶的安全性和环保性。本文根据共同规范关于屈曲强度的技术要求，详细地阐述了油船结构屈曲强度评估的基本方法和分析步骤。本文也尝试性地将共同规范和中国船级社 l 时明显偏小P a i l 【利用 l 的实验结构并利用Y a o 等人的实验数据，采用与L i n 相似的表达式，拟合出预报加筋板极限强度公式，改善了 l 的结构预报性能。但P a i k 表达式的缺陷是没有考虑引起加筋扭转屈曲破坏的重要参数高厚比，而发生这类破坏时，极限强度常小于另两类破坏，也就是说P a i k 公式所预报的此类破坏极限强
3、度值估计过高，同时也没考虑初始缺陷和焊接残余应力的影响。在实际中，船体的加筋板结构的受力情况是十分复杂的，除了主要受到由于总纵弯曲而产生的纵向压力以外，还受到水的横向压力。因此如果要更加精确的计算加筋板的屈曲强度，那么就必须考虑其所受到的全部载荷。Y a o 和F u j i 酗b o 等人在这些方面做了不少工作。另外，由于加工制造等原因，船体结构中必然存有初始缺陷，包括焊接残基于结构共同规范的船体板屈曲分析余应力、初挠度和偏心，它们往往使结构的承载能力下降。因此在研究加筋板的屈曲强度和极限强度时也必须尽可能的考虑初始缺陷的影响。在各船级社规范中给出的加筋板极限强度的表达式，大多数也为经验性公
4、式。1 2 加筋板的失效模式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轴向拉、压应力。习惯上，受轴向压应力作用的加筋板可能的破坏模式可以分为下列六类哆即：第一种：整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱时，加强筋会和船体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( 即所谓的板黔后屈曲性能，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。如图1 1 a ；第二种：在筋扳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。如图1 1 b ；第三种：粱一
5、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。如图1 1 c ：第四种：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屈曲。如图1 1 d ；第五种：加强筋的侧倾。当加筋板的扭转刚度较小时易发生。如图1 1 e ；第六种：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。图1 1 加筋板的失效模式F i g 1 IF a i l u r eM o d e lo f S t i f f e n e dP l a t e s一6 一大连理工大学硕士学位论文加筋板或者板格究竟出现哪种模式的破坏，取决于在一定的应变条件下，各种破坏模式所对应的板格平
6、均应力的大小、加筋板的几何尺寸和材料属性。1 3 加筋板的非线性分析加筋板是船体甲板、舷侧和船底板结构中的主要结构形式，加筋板上受的典型载荷情况如图1 2 所示。加筋板的长、宽和板厚分别用b 和t 表示，板的弯曲刚度P D = ：L 育，其中E 为杨氏模量，v 为P o i s s o n 比。 1 2 ( 1 一矿J- 曼- - 一图1 2 加筋板的形状和载荷F i 孚1 2S h a p eo f S t i f f e n e dP l a t e sa n dL o a d s假设板上沿X 方向有n 根等间距的加强筋，而两个相邻的加强筋间的距离为b 。加强筋的截面积和惯性矩分别为A 、
7、I 边界条件为四边自由支持且四边保持平直。面内受) ( ，Y 方向上的压应力载荷，四周边界受均布剪应力作用。当加筋板受组合外载荷包括X 、Y 方向上的均布压应力o ，和o ，四周边界的剪切应力铀作用下时，随着载荷的增加，不同尺寸的加筋板在不同应力状态下，屈的模式是不样的。基于结构共同规范的船体板屈曲分析我们定义加筋板剐度为，= 羔在轴向压应力作用下，在加筋板的加强筋相对较 D 上，弱的时候，即对应的T 小于一个特定的值1 ，。，时，加强板屈曲模式为整体弯曲屈曲，此时，加强筋就会和船体板一起在弹性范围内发生弯曲屈曲，且加筋板的屈曲强度随着T的增加而增加。当丫大于丫m i n B 时，加筋板的屈服
8、模式由整体弯曲屈曲变为局部屈曲。对应于这种屈服模式，当加筋板的屈曲强度到了一个特定的值时，不会随着丫的增加而增加。上述二种屈曲模式的屈曲强度特征曲线的交点即为相应的加筋板的筋板剐度丫埘j n B ，如图1 3 所示。叁 o，乜图1 3轴向压应力作用下极限强度和屈曲强度与Y 的相互关系F i g 1 3 I n t e r r e l a t i o n B e t w e e n B u c k l i n g S t r e n g t h a n d U l t i m a t eS t r e t c h i n t h e E f f e c t o f A x i a lC o m
9、p r e s s i v eP r e s s当丫大于一个特定的值恤。时，随着加强筋的局部屈曲和加强筋的屈服，加筋板 达到了它的极限强度。此时的妯”的大小比甜大3 0 - 5 0 。当丫小于T 晌。时，加筋板的极限强度随着的 r 增加而增加，而当丫大于丫曲。时加筋板的极限强度则是一个固定值，不随着Y 的增加而增加。相应的极限强度曲线如图1 3 所示。而剪应力的存在，不论是对加筋板整体屈曲还是局部的届曲模式，都会降低加筋板的屈曲强度和极限强度。m B 和缸。的大小取决子加筋板的几何尺寸和材料特性，以及载荷分量。同时7 m m s还和轴向载荷分量的方向有很大的关系。因此，加筋板的极限失效模式可以
10、分为四种， 其中三种取决于1 r 与甜和丫m 一的关系，第四种则为全塑性失效模式f 1 5 1 。( 1 ) F 丫m ，极限失效模式l大连理工大学硕士学位论文加筋板按整体模式屈曲和失效，类似于1 3 节中提到的失效模式l ；( 2 ) 翔蛔8 q 4 、O大趣工大学硕士学位论文k - b 枷一o s 匀艮刮0 - o 嘲 7 )其中：屈曲折减系数R 。，R c y ，R 。为o o ，和作用下开孔对屈曲强度的影响系数；d c 为开孔的直径。2 3 本章小结本章主要介绍了船体板的屈曲强度的基本假设，以及各种缺陷和损伤对板格屈曲强度的影响。简单的来说各种缺陷和损伤对板格屈曲强度的影响主要包括：残
11、余应力的影响、侧向压应力的影响以及开孔的影响。所以要提高板格屈曲强度可以通过增加板厚、设置加强筋、减少开孔和注意焊接顺序等方法。基于结构共同规范的船体板屈曲分析3 分析指南与共同规范在屈曲分析上的差异3 1 引言共同规范是由国际上三大船级社A B S ( 美国船级社) 、D N V ( 挪威船级社) 和L 砥劳氏船级社) 共同编写的，规范中的相当一部分内容都是套用上述三家船级社的有关内容。也就是说，共同规范是在上述两船级社的规范的基础上，继承和发展相关内容，其目的就是设计出更加安全、更加绿色和更加人性化的船只。共同规范中包含了双壳油船从设计到校核的所有内容，当然也就包含了屈曲强度分析的相关内容
12、。在屈曲强度分析方面，中国船级社在共同规范未制定之前早已根据自己的实际情况和工作经验编写了分析指南那么共同规范与分析指南之间在屈曲分析方面有什么差异? 这就是本章要讲的相关内容。3 2 外载荷共同规范与分析指南关于外载荷的计算都可以分成两大类。第一类是静载荷分量，另一类是动载荷分量，两者所不同的差异见表3 1 表3 1共同规范与分析指南的载荷差异T a b3 1T h eD i f f e r e n c eo nt h eL o a d sB e t w e e n “C o m m o nR u l e s ”a n d “ A n a l y t i c a lG u i d e “载荷
13、分析指南共同规范静水弯矩静水剪力，静载荷内部静压力，外部静压力，重物压力垂向波浪弯矩，垂向波浪剪力动载荷水平波浪弯矩外部水动压力，内部水动压力。 内部晃荡载荷晃荡砰击船底砰击压力，船首冲击载荷其他破舱进水压力大连理工大学硕士学位论文从表3 I 中可以看出共同规范与分析指南的载荷差异。在“静载荷”这一类中，分析指南没有“重物压力”这一项；在“动载荷”这一类中，分析指南同样也没有。水平波浪弯矩”这一项；而“晃荡砰击”这一类中，则载荷差异就更大了，分析指南不需要计算砰击载荷；同时， 磁+ 音圪一2 一匕- 和蚶水线以下= 0k N m 2水线以上名血应不小于一磊r g ( 毛c 力式中： 一水线处的
14、压力圪嘞，附；瓦c 一特定装载工况下的吃水，m ；，k 一海水密度，取1 0 2 5 ，妇3 ；z 一垂直坐标，m 。大连理工大学硕士学位论文图3 7 最大波浪动压力的横向分布F i g3 7T r a n s v e r s a lD i s t r i b u t i o no f M a x i m a lW a v eD y u l 疵cP r e s s u r e图3 8 最小波浪动压力的横向分布F i g3 8T r a n s v e r s a lD i s t r i b u t i o no f M i n i m a lW a v eD y n a f n i cP r
15、 e s s u r e如共同规范中的图7 6 1 和图7 6 2 所示，特定动载荷实例的货油舱区域左右舷的每组波浪动压力气，咖可由下式得到，但水线以下不得小于一P ，g ( T L c 一力，水线以上不得小于0 。 k 2 + 兰( 一蹦( 3 m )基于结构共同规范的船体板屈曲分析只。一加= 兄k 。+ i L ( 一兄k 。) Z C厶咖= P 耽一l O ( z 一)舭部己r 一咖的中间值可由沿垂直方向线性插值得到。( 3 3 2 )( 3 3 3 )式中：，0 一船底板中线的波浪动压力； 。厶气一蝌詹只恤t 一界面= = 0 以及) 2 B 删2 时的波浪动压力；厶拉r 匕t 心“m
16、 2昂L 一水线处的波浪动压力；2 庇l 一附厶z 一特定动载荷实例的水线处的波浪动压力因子，参见共同规范中表7 6 2 ；兀帆一舭部处的波浪动压力因子，参见共同规范中表7 6 2 ；厶，一特定动载荷实例的船底板中线处的波浪动压力因子，参见共同规范中表7 6 2 。占L 衄f 一特定吃水下水线处的船体宽度，m 。( 2 ) 上浪载荷露天甲板上浪载荷应取下列值的大者：只聩2 石琅化，祝一1 0 9 d t r ) 玳m 22 丘女( 忍- 耽一l O z _ r ) 娴，m 2式中：Z 畸。o 8 + 三7 5 0 丸彘= 0 5 + B l y ：lj丑- 腮一在特定工况下吃水处水线的只压力，
