【精品】2.船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析

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1、第5卷笫5期2001年10月船舶力学.JournalofShipNfechanics文章编号:1007-7294(2001)05-0021-15船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析何福志，万正权(中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)摘要:木文基于梁・柱理论、理想弹塑性假设、平面假设利犁性饺理论建立了拉伸和压缩加筋板单元的标准应力-应变关系Illi线，开发了船体结构总纵极限强度的简化逐步破坏分析方法。应用该简化方法编制的计算程序较为详细地分析了五条船截面/箱型梁模型的总纵极限强度，结果衣明本文开发的简化逐步破坏方法和计算程序是正确可靠的

2、，可供船体结构设计参考和使用。关键词：船体结构；极限强度；应力-应变关系中图分类号：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口益突出起来，这已经成为国际船舶结构力学领域近期的i个热点研究课题。对整个船体进行冇限元分析同时考虑儿何和材料的非线性，无疑可以得到船体的极限强度值，但这需要花费大暈的人力资源、资金和计算时间；即使是対于船体截面的重要组成构件Til筋板格，要想详尽地了解其极限状态及其崩溃前后的行为也并非易事，因此有必要发展简化方法计算船体

3、结构的总纵极限强度。近30年来，各国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12'出和逐步破坏分析方法‘6.71OCaid^en⑵将船体总纵极限强度估算为船体横剖而的全駅性弯炬，通过対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强度厉的载荷-缩短行为以及截而应力的重新分布，这往往过高地估算了船体结构总纵极限强度值。另外，在当吋山于不能准确计算每个结构单元的折减因子值，因此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横截面

4、单元特性的某础上提出了逐步破坏分析方法。Snith151通过对梁-柱单元做弹塑性人变形有限元分析以确定加筋板单元的载荷■缩短行为，因其计算量很人而难以在船体初步设计阶段使用。Chen等⑴,Kutt等⑹发展了大型有限元程序，但都相当费机时及人力。Sda等⑴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下船体的屈曲/幫性破坏行为，尽管它在数学模型上作了人量的简化，但计算量仍较人。本文基于Snith方法开发了一•种船体梁极限强度的简化逐步破坏分析方法，通过理想弹塑性假定、塑性饺理论以及平面假定等使得船体横截

5、面单元的应力-应变关系得到很人简化，由计算结果的比较可以看出，本文的分析方法是相当有效的。2船体极限强度分析船体横截而总的弯矩一般包括乖向弯矩、水平弯矩和扭矩等，木文只研究垂向弯矩单-独作用的情况，其弯矩一III］率III］线可用图1表示，船体结构总纵极限弯矩甌可以定义为弯矩-

6、11

7、率

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9、线上斜率收稿口期：2001-03・10作者简介：何福志(1970-)，男，屮国船舶科学研究屮心工学硕士。(dM/d巾)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(这可通过介理的设计和提高材料的性能达到)，则船体结构

10、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肿截面的冗余度等。2.1基木假定(1)平截而假定，即船体横截面在曲率改变前后均保持为平截面，这样就可以保证横截面上的应变沿深度方向线性分布；(2)假定船体截而的崩溃发生于相邻框架间,其原因是框架间板格发生斥•缩屈曲/屈服或是拉伸屈服；(3)船体整体失稳应力高于框架间的梁■柱崩溃应力；(4)加强筋的侧倾应力也高于框架间的崩溃应力。2.2船体总纵极限弯矩计算流程(1)划分单元。将船体梁离散成加筋板单元和拐角单元，其屮加筋板单元由一根加强筋和宽为b的带板组成，而拐角单元指的是甲板与舷侧

11、、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G=札，认为瞬吋弹性屮和轴即为有效面弹性屮和轴，初始曲率％由下式确定:(4)计算当前每个单-元相应的应变弋二犷儿，其屮x是瞬时弹性中和轴到第i个单元的垂宜距离。再由单元应力・应变关系确定当前的应力；(5)建立整体截面的力平衡方程，更新x、J，从而确定当前屮和轴的位置，计算时需要作一些迭代。中和轴方向的改变可以由总拉力和总压力的差值计算，满足下式,迭代即完成:I用力.右＞力I压力W0.001(6)秤加所有单元对瞬时中和轴的弯矩得到当

12、前应变下船肿截而的总弯矩:M二工o’,心x(3)i=1其中人‘是第i单元的有效截面积，拉伸时取全面积」是总单元数；(7)将当前1111率计算的总体弯矩