箱型梁加强甲板结构极限承载能力分析

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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

2、，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。

3、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，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

4、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(w·J。hn)1261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

5、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。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

6、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,Nishihara[1]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,Dowling[2]及Mansour[3]等人也都进行了相类似的试验。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

7、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,获得了与试验较为一致的结果。在试验与理论分析

8、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