船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法

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1、46卷第2期（总第169期）中国造船Vol.46No.（2SerialNo.169）2005年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJune2005文章编号：1000-488（22005）02-0017-11船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法何福志1，马建军1，万正权2（1.武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064；2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）摘要本文基于Smith方法，应用梁-柱理论、理想弹塑性假设、平截面假设和塑性铰理论建立了加筋板单元的应力-应变关系曲线，导出了船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法并编制成FORTRAN计算程序。应用

2、作者导出的简化逐步破坏分析方法分析计算了Reckling23号模型总纵极限强度。计算结果表明，本文导出的简化逐步破坏分析方法和计算程序正确可靠，可供船体结构设计和使用。本文还对船体结构总纵极限强度的影响因素进行了分析，其中包括加筋板单元的载荷-缩短行为、横向压力、材料屈服强度和腐蚀等。关键词：船舶、舰船工程；船体结构；极限强度；应力-应变关系；屈服强度；腐蚀中图分类号：U661.2文献标识码：A1引言随着结构应力分析理论和试验技术的发展，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，这已成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究课题。对整个

3、船体进行有限元分析［1］，同时考虑几何和材料非线性，无疑可得到船体的极限强度值，但这需要花费大量的人力资源、资金和计算时间；即使是对于船体截面的重要组成构件———加筋板格，欲详尽地了解其极限状态及其崩溃前后的行为也非易事，因此，研究较为简化的方法来计算船体结构的总纵极限强度，乃是极其必要的。近30年来，船舶力学研究者发展了多种计算船体纵向强度的数学模型，其中较具代表性的是直接计算方法［2～4］和逐步破坏分析方法［5～7］。Caldwell认为船体总纵极限强度即为船舯横剖面的全塑性弯矩，并通过对受压构件承载能力的折减以说明屈曲的影响。该方法没有考虑当加筋板单元承受的压应力超过其极限

4、强度后的载荷-缩短行为以及截面应力的重新分布，这容易高估船体结构的总纵极限强度。另外，在当时由于不能准确计算每个结构单元的折减因子值，故计算的极限强度难以真实反映船体破坏行为和极限承载能力。为此，许多研究人员在充分考虑了舯横截面单元特性的基础上提出了逐步破坏分析方法。Smith［5］通过对梁-柱单元做弹塑性大变形有限元分析以确定加筋板单元的载荷-缩短行为，因其计算量很大而难以在船体初步设计阶段使用。Chen等［1］，Kutt等［6］发展了大型有限元程序，但都相当费机时及人力。Ueda等［7］基于理想结构单元法（ISUM），提出了用板和加筋板单元模拟双向压缩/拉伸和剪切载荷联合作用

5、下船体的屈曲/塑性破坏行为，尽管它在数学模型上作了大量简化，但计算量仍较大。本文基于Smith方法导出了一种船体梁极限强度的简化逐步破坏分析方法，并对船体结构总纵极限强度的影响因素进行了初步研究。结果表明，本文导出的简化逐步破坏分析方法和计算程序正确可靠，可供船体结构设计使用。收稿日期：2004-04-02；修改稿收稿日期：2004-07-1218中国造船学术论文2船体极限强度分析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-曲率曲线见图1。船体结构总纵极限弯矩Mu可定义为弯矩-曲率曲线上斜率（dM/dφ）为零或符号发生改变的点所

6、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的性能达到），则船体结构整体弯矩-曲率关系将取决于各个板格的极限强度和崩溃前后的行为以及船舯截面的安全系数等。2.1基本假定①平截面假定，即船体横截面在曲率改变前后均保持为平截面，这样可以保证横截面上的应变沿深度方向成线性分布；②假定船体截面的崩溃发生于相邻框架间，即认为只有框架间板格发生压缩屈曲/屈服或拉伸屈服破坏；③船体整体失稳应力高于相邻框架间的梁-柱崩溃应力；④加强筋的侧倾应力高于相邻框架间的梁-柱崩溃应力。2.2船体总纵极限弯矩计算流程图1弯矩-曲率关系简图①划分单元。将船体梁离散

7、成加筋板单元和拐角单元，其中加筋板单元由一根加强筋和宽为b的带板组成，而拐角单元是甲板与舷侧、底板与舷侧以及其他两个相互垂直的板连接部分；②确定所有单元的平均应力-应变关系；③初始化船体梁整体曲率，令φ=φ0，认为瞬时弹性中和轴即为有效截面弹性中和轴，初始曲率由下式确定φ0n（εult）iεyφ0=min{y，y}（1）i=1ii式中φ0是曲率；yi是瞬时弹性中和轴到第i个单元的垂直距离；εy是屈服应变；εult是极限应变；n是单元数；④计算当前曲率每个单元的应变，εi=φ×yi