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1、箱型梁加强甲板结构极限承载能力分析 一、课题来源、目的、意义、国内外基本研究概况1、课题来源 自拟课题 2、课题研究的目的与意义 随着现代船舶越来越大型化的发展，结构的稳定性问题十分突出。高材料钢的普遍使用，使得结构的剖面尺寸相对减小，结构刚度相对降低，结构的稳定性问题显得更为突出，越来越受到广大研究人员以及相关人员的注意。现实生活中大量的工程事故，引起了工程力学界人士对结构稳定性问题的关注。一直以来，船体结构的总纵强度都是使用简单梁理论来进行计算的。传统船体的甲板结构均是由焊接T型材或者是角钢、球扁钢等的板材即加筋板构成的，其主要承受拉应力、压应力，均存在超过相应的应力极限而出现受损甚至是失
2、效状况，导致安全事故的发生。而在承受压应力的时候，不仅需要考虑材料的强度极限，还要注意结构的稳定性问题。甲板板在屈服直至达到破坏事实上是一个渐进的过程，当其部分达到塑性屈服时，未达到极限应力的部分仍然可以继续承受应力，直至也进入到塑性屈服阶段。与此同时也要考虑受压甲板板可能会失稳，而失稳问题是突发的，更具危险性。目前，试验研究是船体纵向极限强度研究的重要方法。通过模型试验，可以比较直观地研究舱段结构在外载作用下，如何逐步从局部损坏到整体崩溃的过程。这对深入认识船体结构的极限强度有重要意义。在甲板上设置纵向箱型梁是一种新型防护结构形式，国外已应用于新型舰船。设置纵向箱形梁能够增加甲板的抗爆能力，
3、以提高船体损伤后的剩余极限强度。由于其结构形式较为新颖，对它在总纵弯曲下的崩溃过程目前还研究得不够充分，因此有必要开展试验研究。一直以来，船体结构的总纵强度是使用简单梁理论来计算的。但内河船“玛丽”号折成两段的事实，对无条件使用简单梁理论的计算方法提出了质疑，引起了力学工作者的广泛关注。根据经典的线弹性理论，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，船体断面就破坏了，此时所对应的断面弯矩就是始屈弯矩。“玛丽”号折断时遇到的波长与船长相等，在距船中之前7.3米处向下折成两段，并在折断前甲板曾产生了显著的皱褶。威约翰(wJ。hn)12
4、61曾对“玛丽”号进行了总纵弯曲应力的计算。单纯从计算结果来看，虽然中垂状态是甲板上的应力比较高(为142N/mm2)，但是并不能说明船体很快折断的原因。于是，威约翰在分析时认为，船体破坏是由于所有受压的甲板板，除了与其他刚性构件相连的一部分完全有效外，其余部分不能承受大于板之极限载荷的压力。因此，威约翰利用一折减系数来修正受压板的剖面积。修正后的计算结果，在中垂状态时，甲板舷边处的应力武汉理工大学硕士学位论文达到了250N/mm2，大大超过了第一次计算所得的应力。实际上，这就是由于甲板受压失稳而导致的船体结构的破坏。从此以后，设计者在设计船体结构时，既要保证必要的强度，又要保证必要的稳定性。
5、而力学工作者，也开始了对船体结构稳定性的深入研究。随着结构应力分析理论和试验技术的发展，船体结构在极限载荷作用下的承载能力问题已经逐渐成为国际船舶结构力学领域的一个热点研究课题。对箱形梁甲板结构进行极限承载能力分析，可以为以后的船舶甲板结构设计提供理论依据，也对减少船舶安全事故具有重要的意义。3、 国内外研究现状及分析（1）国外的研究现状迄今,关于箱型船体梁极限强度的试验研究开展得不多,Nishihara1曾采用方型箱体模拟四种不同类型船体舯横剖面结构,进行了系列总纵极限承载能力试验,不同的船体结构体现了船体承载过程中及后极限强度剖面应力分布规律,Dowling2及Mansour3等人也都进行
6、了相类似的试验。在处理箱型梁极限强度数值计算中，应用基于塑性节点法4开发的结构非线性数值计算程序SANDY可追踪箱型梁船体模型的极限承载全部过程5。塑性节点法是塑性势理论范畴的延伸,采用的是节点力与位移关系而非应力应变关系表征屈服准则。将此理论引入数值方法遵循以下两点假定:单元进入塑性的判据是通过检查单元中指定检验点的合成应力是否满足以节点力为函数的塑性条件;塑性条件以塑性势表示,塑性变形集中在塑性点上,而在单元内部保持弹性。(2)国内的研究现状徐向东6等人对箱型梁船体模型作了总纵极限承载能力试验研究，应用基于塑性节点法开发的程序和通用非线性有限元模拟方法对该模型进行了数值计算,获得了与试验较
7、为一致的结果。在试验与理论分析的基础上,提出了估算箱型梁船体结构极限强度的解析计算方法,通过算例考核认为本方法可用于工程结构设计。其程序中开发了一系列的有限单元,包括非线性弹簧元、梁柱元、加筋板元、剪切板元以及硬角单元等,提供了对复杂结构系统作静动态热弹塑性大位移分析的计算手段。他们应用通用有限元程序ANSYS,采用四节点弹塑性板壳单元对结构进行离散建模，在计算中考虑了结构的屈曲/塑性破坏、应变硬化、初始挠度和残余应力、腐蚀引起的板厚变化、断裂准则等,并可通过任意的载荷与位移控制进行求解7。本方法消除了应变和各种结构现象所需要的假定,如简化方法中通常的假定为在线性和非线性二者特性范围内其横剖面
8、仍保持为平面,所有这些假定均需要验证而且总是限制了简单分析方法的适用范围。该程序不仅与通用有限元程序(如ANSYS)同样具有普遍的适用性,相比之下,它可以用很少的单元来模拟一个复杂的结构系统,这样大大减少了人力与机时,而且能够保证计算精度。杨平8对内河重载船舶进行了极限强度的模型试验，并用以验证他提出的极限强度计算方法。徐向东等9进行了箱形梁的极限承载能力的试验，并在试验的基础上提出了估算船体箱形梁极限强度的解析计算方法。何杰等10对潜艇平面舱壁进行了极限强度分析，并与试验结果进行了对比分析。还有一些学者也进行了类似的试验研究11-12。王佳颖等13对纵向箱型梁式的舱段模型进行极限强度试验，观
9、察并记录其崩溃过程，应用逐步崩溃法（Mars2000）和非线性有限元数值方法（ABAQUS）进行模型极限强度预报。试验结果证实了极限强度理论计算方法的可靠性。其中国际船级社协会推荐的 MARS2000 软件采用逐步崩溃法预报的极限强度值略偏保守，而采用非线性有限元阻尼因子法进行结构极限强度预报与模型试验结果相比误差较小，两者均能满足工程设计要求。本文通过实验研究证实了用逐步崩溃法和非线性有限元法计算极限强度的精度是合理和可靠的。二、主要研究内容1.学习使用有限元软件ANSYS及其参数化设计语言APDL2.利用ANSYS参数化设计语言APDL建立箱型梁加强甲板结构有限元模型3.利用ANSYS对箱
10、型梁加强甲板结构进行极限承载能力分析4.等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力分析5.箱型梁加强甲板与等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力对比分析三、研究目标、关键技术、研究方案与技术途径1、研究目标通过对箱形梁甲板结构和对等质量传统加筋板甲板结构分别进行有限元建模计算，对比分析两种形式的甲板结构的极限承载能力。2、关键技术主要使用有限元ANSYS及其参数化设计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构有限元模型，在简单梁理论以及线弹性的基础上进行理论分析，并同样运用有限元对同等质量传统加筋板甲板结构建模计算，进行对比。3、研究方案与技术途径通过对相关文献的研究与整理，使用有限元ANSYS及其参数化设
11、计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构以及同等质量传统加筋板甲板结构有限元模型，加载不同的各种载荷而得之相应的变形，通过比较二者的破坏时的极限载荷得出相应的结论。四、课题研究的进展计划第1-2周 查阅国内外相关文献，完成开题报告第3-6周 学习使用有限元软件ANSYS及其参数化设计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构有限元模型第7-12周 利用ANSYS对箱型梁加强甲板结构进行极限承载能力分析, 等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力分析第11-14周 箱型梁加强甲板与等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力对比分析第13-16周 分析计算结果，撰写论文，答辩参考文献1 Nishihara S.Ul
12、timate longitudinal strength of midship cross sectionJ.Naval Architecture and Ocean Engineering,1984,22:200-214.2 Dowling P J,Moolani F M,Frieze P A.The effect of shear lag on the ultimate strength of box girdersC.In International Congress on Steel Plated Structures, Imperial College, London, 1976.
13、108-147 .3 Mansour A E,Yang J M,Thayamballi A. An experimental investigation of ship hull ultimate strengthJ. Trans SNAME,1990,98:411-439.4 Ueda Y,Tao T.The plastic node methods:Anewmethod of plastic analysis,Comput. Meths.Appl. Mech. Engng, 1982, 34: 1089-1104.5 白勇,徐向东,崔维成.用塑性节点法作船体极限强度分析.船舶力学,Aug.
14、 1998, 2(4):54-62.6 徐向东,崔维成,冷建兴,孙兆康,祁恩荣.箱型梁极限承载能力试验与理论研究.船舶力学,Oct, 2000, 4(5)：36-43.7白勇,徐向东,崔维成.船体结构极限强度的影响参数与敏感度探讨.船舶力学, Oct, 1998, 2(5):35-43.8 杨平 , 王海涛 , 石城林 . 内河重载甲板驳船船体极限强度的试验与理论分析 J. 武汉理工大学学报 ,2004,28(6):799-802.9 徐向东, 崔维成, 冷建兴等. 箱形梁极限承载能力试验与理论研究J. 船舶力学, 2000, 4(5):36-43.10 何杰, 吴梵, 朱晓军, 黄晓明. 平台支撑的潜艇平面舱壁的极限强度分析J. 中国造船, 2006,47(3).11 黄震球, 陈奇树, 骆子夜. 船体梁的极限纵强度J. 华中理工大学学报, 1996, 24(7):1-5.12 方闯, 张文涛, 黄震球, 陈齐树. 内河船舶极限总强度的试验研究J. 船舶工程, 2001(1):29-32.13 王佳颖，张世联. 纵向箱型梁舱段极限强度试验研究. 中国造船. June 2011，52（2）（Serial No. 195）：47-54.
