船舶总纵极限强度后剩余承载能力有限元仿真方法研究.pdf

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1、55卷第1期(总第208期)中国造船Vo1．55No．1(Sefia1No．208)2014年3月SHIPBUILDINGOFCHINAMat．2014文章编号：1000．4882(2014)Ol一0054—12船舶总纵极限强度后剩余承载能力有限元仿真方法研究丁超，赵耀(华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074)摘要船舶在经历总纵极限强度后的强度计算关联到船体结构的生命力设计、破损条件下的安全评估以及救援方案制定等。船体结构在经历极限强度后无论是几何形状还是材料特性均呈现出强烈的非线性。针对这一特殊承载能力阶段，论文首先借助箱型梁模型试验对有限元仿真方法进行验证，进而研究有限

2、元仿真中各个因素对承载能力计算的影响，提出了各影响因素如何选取的建议。根据影响因素的选取建议对一艘已进行过试验的护卫舰大型模型进行了有限元仿真。计算结果与试验数据具有良好的相关性，表明了建议的有限元仿真方法的有效性。关键词：剩余承载能力；非线性有限元；初始变形；残余应力中图分类号：U661．4文献标识码：A0引言国际船级社协会(tACS)计划于2014年4月颁布协调版共同规范(HarmonizedCommonStructuralRules，简称HCSR)。在该规范中有关强度校核的部分，将双壳油轮共同规范和散货船共同规范中的屈服强度校核和极限强度校核进行了协调统一，而且考虑到船体在损伤

3、和破损条件下的生命力，还增加了剩余强度校核。船舶结构因碰撞、搁浅或触礁等原因受损或破损后的总纵极限承载能力称为船舶总纵剩余强度。协调版共同规范要求在设计阶段就校核该强度的意图是保证船体在遭受重大破坏后仍然具有整体安全性。船舶整体承载能力全过程如图l所示，可分为线性阶段、非线性阶段和极限强度后剩余承载能力等阶段。这里，极限强度后剩余承载能力是船舶在经历总纵极限强度后的承载能力，很明显这是结构已经严重破坏后的剩余强度。这项计算关联到船体结构生命力设计、破损条件下的船舶安全评估以及船舶救援方案制定等。目前各船级社正致力于完善相关的评估方法。2006年4月船舶共同规范实施后，人们的关注点集中

4、在船舶总纵极限强度或极限承载能力，而对于经历该强度之后的船舶承载能力却关注较少。船舶总纵极限强度后剩余承载能力是在非线性破坏后其力学行为的延伸，具有材料和几何的强非线性、内力重新分配、破坏模式多样化和后屈曲路径难以收稿日期：2013-10．30；修改稿收稿日期：2014—03—0555卷第l期(总第208期)丁超，等：船舶总纵极限强度后剩余承载能力有限元仿真方法研究55把握等特点。针对板、加筋板和箱型梁等结构部件、构件或小型模型结构已有一些研究结果发表。沈祖炎[1】采用曲壳有限单元法计算了薄壁槽型截面在均匀受压、受纯弯和受压弯作用下的屈曲后剩余承载能力，提出了薄壁槽型截面屈曲后剩余承

5、载能力的实用计算模型和设计建议公式。Yao[2]采用弹塑性大变形有限元方法研究大长宽比矩形板在单轴向压力作用下的剩余承载能力，考虑了两种初始变形下矩形板的剩余承载能力。Kazuhira和Vujikubo等[3-6]基于水弹塑性分析方法研究波浪中箱型梁的剩余承载能力。这些结果[7-8]多为关于剩余承载能力特性的研究。相对而言，专门考虑极限强度后的剩余承载能力阶段的有限元仿真方法则较少。已发表的结果J表明，即使是对同一个计算对象，在这一特殊承载阶段的计算结果往往差别较大。稠率图1船舶总纵承载能力示意图为解决这一问题，本文重点研究船舶总纵极限强度后剩余承载能力的仿真方法，针对这一特殊承载能

6、力阶段，首先利用一个具备船体结构基本特征且相对简单的箱型梁模型的试验结果对有限元仿真方法进行验证，进而研究有限元仿真中各个因素对承载能力计算的影响，提出各影响因素的选取建议。根据影响因素的选取建议，对一艘具有试验结果的护卫舰大型模型进行了有限元仿真。计算结果和试验数据有着良好的相关性，表明了建议的有限元仿真方法的有效性。还对影响因素选取建议的合理性进行了探讨。1箱型梁的有限元仿真选用结构相对简单的箱型梁模型试验数据，对有限元方法进行验证。1．1箱型梁模型Nishihara[1~]~行了关于箱型梁模型的极限承载能力试验，他利用四点弯曲模拟纯弯曲载荷，测量该模型的极限承载能力，也得到了部

7、分极限强度破坏后的剩余承载能力数据。本文选取此箱型梁模型为计算对象，模型的剖面尺寸和计算参数如图2所示。中国造船学术论文—8．Z苫一＼：宝眈图2箱型梁模型剖面图1．2方法验证根据图2所示的剖面尺寸和计算参数建立有限元模型，假设是理想弹塑性材料。单元类型为壳单元，且考虑单元参考面相对位置和厚度偏移方向。参照试验条件在模型两端设置多点约束并施加纯弯载荷，根据测量结果预设结构初始变形和残余应力。计及材料非线性和几何大变形进行仿真。如图3所示，有限元仿真方法得到的