（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）基于iacs共同规范的散货船极限强度及敏感性分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在现代船体结构设计的研究领域中，船体梁的极限状态分析己愈来愈受到 人们的重视。这是因为完善的结构设计是与船体梁的真实强度储备紧密地联系 在一起的。而要了解船体梁实际的强度储备就必须对船体梁的极限强度有一个 正确的分析和评估。 近年来，国际船级社协会( i a c s ) 一直在致力于散货船和油船共同结构规范 的制定与实施工作，目的是使各船级社的规范在结构尺寸上取得一致，消除i a c s 成员中在船舶结构最小尺寸上的竞争，同时使各船级社的经验共享。制定统一 的船舶建造标准，是为了满足工业界期望建造更加坚固、耐用、适用的船舶， 进一步满足使用要求。 本文正是根据2 0 0 6 年4 月1 日生效的i a c s 的共同规范( j b p ) ，由共同规 范确定组成船体梁剖面各个单元的应力应变关系，针对散货船结构，采用逐次 递增破坏分析法计算船体结构的极限承载能力，同时编制计算程序。 逐次递增破坏分析法，又称s m i t h 方法。该方法首先将船体截面离散成不 同的加筋板单元，根据实际受力情况，将单元分成受拉区和受压区。受拉区单 元由理想弹塑性理论得到其应力应变关系曲线：受压区单元又分成一般单元和 硬角单元。假定一个初始曲率，根据各个单元对瞬时中和轴弯矩的贡献，累加 得到相对于这个曲率的总弯矩，然后判断弯矩是否达到极值，如未达到，则增 加曲率，重复上述过程，直到弯矩为极值为止。 在总结上述研究内容的基础上，本文编制开发了一套具有工程实用价值的 船体极限强度的计算程序，经计算与来自国际船舶钢结构委员会著名学者的计 算结果进行了比较，说明该程序简单、可靠，可方便地应用于船体极限强度的 校核和评估。最后对影响散货船极限弯矩的参数进行了敏感度探讨。 关键词：船体梁，应力应变关系，极限强度，共同规范，敏感度 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h em o d e m s h i pc o n s t r u c t i o nd e s i g nr e s e a r c hr e a l m ，p e o p l ep a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ot h eu l t i m a t es t r e n g t ho fs h i ph u l lg i r d e r s t h i si sb e c a u s et h a tt h e p e r f e c tc o n s t r u c t i o nd e s i g ni sc l o s e l yn e t e dt h et r u es t r e n g t hs t o r eo f t h es h i pg i r d e r s h o w e v e r , i no r d e r 幻u n d e r s t a n dt h ea c t u a ls t r e n g t hs t o r eo fs h i ph u l lg i r d e r s w e m u s t h a v e ar i g h t a s s e s s m e n t o f t h e u l t i m a t es t r e n g t h o f s h i p h u l l g i r d e r s r e c e n t l y ，c l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e s s t a r t e dt o d e v e l o pr u l e sf o rt h es t r u c t u r a l d e s i g no fb u l kc a r r i e r sa n dd o u b l eh u l lt a n k e r ss e v e r a ly e a r sa g ow h i c ha f t e r a d o p t i o nb ya l lm e m b e r s o c i e t i e so ft h ei a c sw i l lb em a n d a t o r yf o ra l lc l a s s i f i c a t i o n s o c i e t i e s t h eg o a lo f t h ec o m m o ns t r u c t u r a lr u l e si se l i m i n a t i n gt h ec o m p e t i t i o nf o r m i n i m i s e ds c a n t l i n gd i m e n s i o n sa n ds t e e lw e i g h tt ot h ed e t r i m e n to fs h i p s 。s a f e t y b e t w e e nt h es h i pc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e s t h em e m b e r si nt h es o c i e t i e sc a ns h a r et h e e x p e r i e n c eb yi m p l e m e n t i n gt h es a m er u l e s a n dt h er u l e sa i ma ts a t i s f y i n gt h e r e q u i r e m e n to f b u i l d i n gs t r o n g e r , m o r ed u r a b l ea n ds u i t a b l es h i p t h i st h e s i su s e da l o n gt h er e l a t i o n s h i po ft h es h i ps e c t i o ne l e m e n ts t r e e - s t r a i n b yc o m m o n s t r u c t u r a lr u l e sf o rb u l kc a r r i e r s ( j b p ) t h er u l e se n t e ri n t of o r c eo n1 “ a p r i l2 0 0 6 ap r o g r a mi sd e v e l o p e db yu s i n gt h ep r o g r e s s i v ee a l l o p s e a n a l y s i s m e t h o dt oc a l c u l a t et h eu l t i m a t es t r e n g t ho f b u l kc a r r i e r s p r o g r e s s i v ec a l l o p s ea n a l y s i sm e t h o di sa l s on a m e ds m i t hm e t h o d f i r s t l y , i t n e e d st os e p a r a t et h eg i r d e rh u l l i n t om a n ye l e m e n t s p u l l e do n ea n dp u s h e do n e s e c o n d l y , w h e nt h es h i pi si nh o g g i n go rs a g g i n g ，y o us h o u l da s s u n l eo n ec u r v a t u r e v a l u es oy o uc a ng e tt h em o m e n tv a l u eo fe v e r ye l e m e n ta tt h i sc u r v a t u r e a n dt h e n y o um a ya d du pa j lt h em o m e n to fe v e r ye l e m e n t t h i r d l y , y o um u s tj u d g ew h e t h e r t h em o m e n ti st h eu l t i m a t em o m e n t i fn o t , i n c r e a s et h ec u r v a t u r e a n dr e d ot h e a b o v es t e p su n t i lg e tt h eu l t i m a t es t r e n g t h t h e s ep r o c e d u r e sc a nb er e a l i z e db yo n e c i r c u l a t i o n i ne v e r ys t e p ，t h ec u r v eo fs t r e s s - s t r a i ni sm o d i f i e d ，s ot h er e s u l ti sm o r e p r e c i s e i i 武汉理工大学硕士学位论文 o nb a s eo ft h ea b o v er e s e a r c hc o n t e n t s ，ap r o g r a mi sd e v e l o p e di nf o r t r a n l a n g u a g e b yu s i n gt h i ss i m p l i f i e dm e t h o d t oa n a l y s et h eu l t i m a t es t r e n g t ho fs h i ph u l l g i r d e r s i nc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t sf r o ms o m ef a m o u se x p e r t so fi n t e r n a t i o n a l s h i p & o f f s h o r es t r u c t u r e sc o n g r e s s t h i s s i m p l i f i e d m e t h o dh a s e n g i n e e r i n g a c c u r a c ya n dc a nb e u s e di nt h ep r e p h a s eo fd e s i g n f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s st h e s e n s i t i v i t ya b o u ts e v e r a lp a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h eu l t i m a t eb e n d i n gm o m e n to f b u l kc a r r i e r s k e y w o r d s ：s h i pg i r d e r ；c ：l l r v e so fs t r e s s s t r a i n ；u l t i m a t es t r e n g t h ；c o m m o ns t r u c t u r a l r u l e s ；s e n s i t i v i t y i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ，1 选题的背景和意义 近年来，国际船级社协会( i a c s ) 一直在致力于散货船和油船共同结构规范 的制定与实施工作，在充分考虑了各方面因素之后，i a c s 把2 0 0 6 年4 月1 日 作为规范最终生效日期“1 。规范出台最根本的原因是安全因素。虽然在各种交 通事故中，船舶事故所占比例最低，但受关注率却很高。近年来，各国在关注 船舶安全的同时，对船舶污染问题也达到前所未有的关注。因此建造更坚固的 船舶，已成为国际海事界的共同目标。从近些年发生的船舶事故来看，船舶结 构缺陷是一个不容忽视的原因。而且在检讨这些事故的过程中，发现传统规范 存在着两大隐患： ( 1 ) 各家船级社为提高自身竞争力，竞相采用轻船概念，降低了规范的标 准，使船舶隐含着不安全因素： ( 2 ) 旧规范不透明，可能导致使用者由于理解方面的偏差，使结构设计出 现不合理因素。 因此，i m o 的部分成员国对一些船级社的船舶建造规范标准偏低以及执行 标准不统一提出了质疑。在这样的背景下，各船级社意识到在业界统一规范和 统一标准的重要性。i a c s 理事会首先把目光放在对环境、安全威胁最大的油船 和散货船方面，优先制定双壳油船和散货船的共同结构规范，并成立了两个项 目组。 这两个项目组的组成情况如下：油船联合研究项目组( j t p ) ：由a b s ，d n v 和 l r 组成：散货船联合研究项目组( j b p ) ：由b v ，c c s ，g l ，k r ，n k ，r i n a 和r s 组 成。 对于各船级社来说，采用共同结构规范的根本目的在于； ( 1 ) 减小各船级社之间由于市场激烈竞争需要而引起降低油船和散货船规 范标准要求的潜在危险，保证船舶结构安全评估能够在真正维护船舶安全标准 的前提下进行，真正做到适合目标船的安全性和坚实性： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 确保各船级社在同一时间、同一条件、同一要求和同一范围内执行国 际最新的规则和标准： ( 3 ) 由于目前同型的船舶可能入级不同的船级社，因此共同结构规范可以 减小因各船级社要求不同而重新进行船舶结构评估和处理的费用： ( 4 ) 在i m o 要求的高度，确保船东、船厂以及各国工业标准在使用上的一 致性，最终目标是采用i m o 目标导向标准理论( g b s ) ： ( 5 ) 结合各船级社的经验。 各船级社的规范发展到今天，主要有两类各有技术特点的结构规范：一类是 传统经验型规范( 如l r ，c c s 规范等) ，该类型规范的体系和构成是以多年经验 为基础，表达形式主要以应用经验系数和多个针对不同结构类型的公式为主， 因此规范表达形式多样，内容相对独立：另一类是理论性规范( 如d n v 规范等) ， 该类型规范的特点是以力学理论为分析基础，在规范体系建立和规范表达上严 格遵循船舶结构力学的基本分析模型，所以该类规范表达形式基本一致，内容 通过载荷相互关联，计算和分析手段可以更多应用现代计算分析工具。当然所 有船级社的规范都是经过多年的发展、积累，在不断地根据实际应用情况进行 合理修正，以满足船舶实际应用的需要，所以从这一点上讲，所有的规范都包 含了实践经验的内容，这些经验是必须继承和发展的。共同规范( j t p 和j b p ) 的建立将： ( 1 ) 为各标准的特殊要求在油船和散货船结构规范中的进一步应用和发展 提供一个共同的平台： ( 2 ) 保证各规范标准的一致性，并提高规范研究的方法和范围的透明度，减 少各船级社规范的“黑箱”操作： ( 3 ) 在内容的一致性和逻辑性上更加完善，有助于简化规范的升级和维护， 特别是可以在规范格式和应用标准方面与目前最新的设计过程保持一致： ( 4 ) 为各船级社间严格而紧密的技术合作打下基础： ( 5 ) 避免规范标准方面的恶性竞争，保证新规范能最大限度的应用最新技术 和统一标准”。 散货船共同结构规范( j b p ) 将适用于2 0 0 6 年4 月1 日以后签约建造、船 长大于9 0 米小于3 5 0 米的单舷侧或双舷侧散装货轮。新规范在净尺度概念、设 计载荷、船体梁极限强度、直接计算分析、疲劳、屈曲等很多关键技术要点上 都有创新，比如：采用了新的腐蚀模型：采用了先进的波浪载荷模型，使外载荷 2 武汉理工大学硕士学位论文 的计算更为合理：采用了极限强度概念，增加了船舶强度透明度：采用了直接计 算技术，更适应于大型船舶的设计：吸取了疲劳评估技术，以保证2 5 年的船舶 使用寿命。 所以，在新的共同规范下研究船体梁的极限强度就显得很有意义。在船舶 结构设计中，合理的船体梁强度分析应包含确定其真实的极限弯曲强度，即最 大抵抗外加弯矩的能力。在这个基础上，才能确定船体极限承载能力与最大期 望弯曲能力之间的真实安全余量。对整个船体进行有限元分析，同时考虑几何 和材料的非线性，无疑可以得到船体的极限强度值，但这需要花费大量的人力 资源、资金和计算时间。因此有必要发展一种简化方法在共同规范( j b p ) 下计 算船体结构的总纵极限强度。 1 2 极限强度的发展历程和目前的研究状况 船体结构强度历来受到船舶工程界的广泛关注。极限强度就是船体结构抵 抗整体崩溃的最大能力，当船受外加载荷作用达到极限状态时受到的弯矩为船 所能承受的极限弯矩，船的总纵极限强度就是以此极限弯矩为衡量。船的整体 崩溃本质上是总体刚度和承载能力的丧失1 。 船体结构在特殊载况或恶劣环境下会受到一逐渐增加的外载荷作用，随着 外载荷增加，船体结构部分主要构件会遭到破坏，受拉部分会因为屈服失效， 受压部分会发生屈曲失效，但这并不意味着整个剖面的失效，这时船体剖面仍 可以继续承载，剖面上的其他构件还可以进一步承载，包括失效构件转嫁过来 的载荷。随着载荷继续增加，屈曲和屈服构件会逐渐增加，一直到最后的平衡 状态，这时剖面达到了它的极限承载能力，同时外加载荷达到了极限值，这即 是整体结构的极限强度，也是我们需要估算的。但传统的以结构弹性失效准则 为理论基础的船体结构总纵强度校核方法，由于没有考虑局部构件的失效( 屈 曲、屈服等) 以及材料和几何非线性的影响，无法准确预报船体结构的极限承载 能力。 早在1 8 7 4 年第1 5 界造船师协会年会上，j o h n 。1 提出了船体结构总纵强度 校核的方法体系( 采用坦谷波理论计算船体中剖面的最大弯矩、基于梁理论计算 船体结构应力、以初始屈服弯矩作为船体结构强度衡准) ，其基本内容一直沿用 至今。随着结构分析与设计技术的不断发展，发展了多种计算船体总纵强度的 3 武汉理工大学硕士学位论文 数学模型，其中较具代表性的是直接计算方法、逐步破坏分析方法和数值计算 方法。 1 2 1 直接计算法 c a l d w e l l “1 早在1 9 6 5 年从船体截面的几何尺寸和材料的性质出发，认为船 体截面失效是由材料屈服或结构屈曲引起的，通过对受压构件承载能力的折减 以说明屈曲的影响，将船体极限状态假定为船体中剖面受压一侧全部屈曲、受 拉一侧全部屈服，给出了船体梁结构总纵极限弯矩计算方法，即直接计算法。 到了二十世纪8 0 年代，n i s h i h a r a ”3 根据其五个箱型梁模型试验研究检测结果 改进了构件折减系数的计算方法，并应用c a l d w e l l 方法发现箱型梁的总纵极限 弯矩与甲板或底板单元的压缩极限强度联系紧密。m a e s t r o ”1 也将c a l d w e l l 方 法推广应用于在纵向和横向载荷联合作用下船体极限强度分析，研究了船舶搁 浅碰撞对总纵强度的影响。m a n s o u r 等计算了船体梁拉伸屈服和压缩屈曲的总 纵极限强度，比较计算结果和两个大尺度船体模型的试验结果，发现如果在直 接计算方法中采用有效剖面模数而不是完全剖面模数，则计算结果与试验结果 非常吻合。直接计算方法简便实用且具有一定的工程精度，常常应用于船舶结 构初步设计计算。但是往往由于没考虑当加筋板单元承受的压应力超过极限值 后的后屈曲行为以及应力重新分布而过高的估算了船体结构总纵极限强度值。 1 2 2 逐步破坏分析法 二十世纪7 0 年代末s m i t h 0 1 基于对平板、加筋板在轴向压缩载荷作用下结 构失效问题的研究成果，认为船体结构破坏是个渐进过程，且不可能达到完全 塑性极限弯矩，从而提出了逐步破坏分析法。逐步破坏法首先对梁柱单元做弹 塑性大变形有限元分析确定加筋板单元的应力一应变曲线，然后通过人为加载 方式对船体梁横截面分布加载，对应每一增量步，计算所有单元的应力应变状 态，通过叠加得到整个船体中剖面的弯矩一曲率曲线，进而确定总体的极限强 度。h u g h e s 于1 9 8 3 年提出首先将船体等箱型梁结构分离成加筋板单元，进而 估算整体极限强度的方法。d o w 等。，在此基础上发展了曲率增量法，认为船体 抗弯刚度对应于弯矩一曲率曲线的斜率。进入二十世纪9 0 年代，g o r d o “”根据 受压平板、加筋板的破坏模式，提出了加筋板强度折减因子与平均应变关系式， 4 武汉理工大学硕士学位论文 以及相应的船体纵向极限强度的简化计算方法，分析了腐蚀、残余应力和高强 度钢对船体极限强度的影响。采用逐步破坏分析方法计算船体梁总纵极限弯矩 的结果很大程度上取决于加筋板单元的平均应力、应变特性，因此，应加强对 加筋板的拉伸、压缩行为，特别是压缩失稳的后屈曲行为的研究。 1 2 3 数值计算方法 数值计算方法即有限元法，通过对整个船体结构进行有限元分析，同时考 虑几何和材料非线性的影响，得到船体结构承载变形破坏的全过程。c h e n 等“” 于二十世纪8 0 年代中期最早开发了船体结构极限承载能力分析的有限元方法， 以板、梁单元模拟船体结构，考虑了材料和几何非线性影响，对船体结构进行 弹塑性大挠度分析，计算船体结构总纵极限强度。a b s 和d n v 基于有限元方 法，分别开发了船体结构极限强度分析的专用程序u s a s 和f e n c o l 。k u t t 等 “”应用u s a s 对两艘货船进行有限元分析，并研究了屈服应力、板厚、初始缺 陷对船体极限强度的影响。v a l s g a a r “”应用f e n c o l 程序分析了m a n s o u r 的船 体粱试验模型以及e n e r g yc o n c e n t r a t i o n 号实船结构在总纵弯瞌载荷作用下逐步 破坏行为和极限承载能力。随着商用有限元程序的推广和非线性功能的增强， 可选用商用有限元程序计算船体结构总纵极限强度。h a n s e n “”应用m a r c 软 件，计算了n i s h i h a r a 船体梁试验模型极限强度，并分析了初始缺陷对总纵极限 承载能力的影响。y a o 等“”利用l s d y n a 程序，研究n a k h o d k a 油船承载变形 破坏的全过程，分析其事故的原因。采用有限元方法，对船体结构进行弹塑性 大挠度分析，可以得到构件和整体结构承载变形的全历程，但是结构有限元建 模工作量大、计算费用高。因此，人们开始研发半解析半离散的数值方法，其 中，理想结构单元法( i s u m ) 是比较成功的代表。i s u m 方法最早由u e d a 等“” 提出来，通过理论方法确定单元结构特性、失效模式的解析表达式，提高单元 精度和模拟复杂结构的能力，减少单元节点数。在此基础上，y a o 等进行了深 入系统的应用研究和数值计算。p a i k “7 3 基于i s u m 开发了船体梁极限强度分析 程序a l p s f l s u m ，并应用于垂向弯矩、水平弯矩和剪力联合作用下船体结构的 极限强度分析。b a i 等“”，也采用塑性节点法，开发了应用于船体结构极限强 度分析程序s a n b y ，并进行了一系列数值计算。运用数值方法计算船体结构 极限承载能力，事先需要对结构的非线性特性作深入了解，根据实践经验选取 5 武汉理工大学硕士学位论文 合理可靠的求解策略，另外，还需要花费数值建模、求解分析的时间。 1 2 4 国内进展情况 国内主要偏向逐步破坏方法的研究( 、和分别是直接计算和有限元计 算方法的范畴) ，主要有： 魏东“蚰就偏向研究船型对极限弯矩及曲率变化的影响，并对具有腐蚀、 疲劳损伤的船体结构总纵强度进行可靠性评估： 何福志等3 建立了船体梁极限承载能力计算方法和计算程序，主要偏向 研究加筋板单元应力应变关系、横向压力、残余应力、材料特性和腐蚀对船体 梁极限强度的影响，并进行了大量的对比计算和时变可靠性分析： 孙海虹等”采用逐步破坏分析方法对i s s c 2 0 0 0 特殊委员会的对比研究 的算例进行船体梁极限承载能力计算和受海水腐蚀影响的船体结构极限强度可 靠性分析： 胡毓仁嘲在平板、加筋板拉伸与压缩特性研究的基础上，建立了船体梁 极限强度简化分析方法，并进行一系列计算比较： 祁恩荣等1 在假设船体梁整体弯曲破坏时剖面中性轴受拉一侧全部达到 塑性极限，受压一侧全部达到屈服极限，开发了受损船体非对称弯曲极限强度 分析方法： 徐向东等1 根据箱型梁极限承载能力的模型试验结果，箱型梁模型达到 极限状态时，中和轴附近的弹性区域高度约为型深的三分之一，据此假设剖面 极限状态应力分布，给出了直接计算极限弯矩的公式。 朱胜昌等”运用有限元方法，基于s a p s 有限元分析的专用程序，开发了 船体结构专用的有限元分析程序，并进行整船结构强度计算。 1 3 本论文的主要研究方法和内容 1 。3 。1 总纵极限强度逐次递增破坏分析法 逐次递增破坏分析法，最早由s m i t h 提出，也称为s m i t h 方法，该方法在 某种程度上说也是从c a l d w e l l 方法基础上发展而来。c a l d w e l l 方法只进行了 一次结构的屈曲和材料的屈服对船体梁极限弯矩的修正，这显得过于粗糙。 6 武汉理工大学硕士学位论文 s m i t h 方法在每步变形增量过程中，采用局部结构单元应力一应变关系，从而 较准确地计算每步对应的船体梁弯矩，该方法主要分成以下几步”1 ： ( 1 ) 把船体梁分成由板和加强材组成的小单元： ( 2 ) 假定船体梁垂向挠度逐步增加，并假定船体横剖面在变形后仍保持平 面，于是可以计算对应的单元应变增量： ( 3 ) 根据构件应力一应变关系曲线可以计算单元的应力增量： ( 4 ) 单元应力增量在剖面上积分即可得到弯矩增量，挠度增量和弯矩增量分 别相加得到挠度和弯矩： ( 5 ) 反复循环计算，直至船体失去承载能力，即可得到极限弯矩。 在纯弯矩作用下，该方法可以得到精确的结果，但在求构件的应力一应变 关系曲线时有一定的困难。s m i t h 建议通过有限元来计算构件的应力一应变关 系曲线，这显然是一种基于有限元法的杂交算法，有一定的可行性。然而，对 不同构件形式的船体结构，为了获得其构件的应力一应变关系曲线必须重新进 行试验研究，这显然是不经济的，也不现实。 以后的学者主要围绕着构件单元的应力一应变关系进行着研究，并提出了 不同的算法，这些算法基本上是对s m i t h 方法的发展，下面对主要研究情况作 一个简单的归纳： ( 1 ) b i l l i n g s l e y 采用工程上通用的方法对船体结构进行简单的离散化， 认为船体可以简化为一系列梁单元，其极限强度可以通过每个梁单元的强度贡 献值相加而得到。 ( 2 ) h d a m c h a k 提出了一种简单的计算方法，考虑了实际船体结构中容易出 现的一些破坏模式，并提出了相应的理论计算方法，编写了计算程序。船体剖 面的弯矩一变形曲线由一组离散的点来拟合。 ( 3 ) l i n 推导了相似的计算方法，他用动力松弛法( d y n a m i cx e l a x a t i o n m e t h o d ) 预估加筋板的极限强度。把理论分析结果和相应的实验结果进行了比 较，最后提出预估船体极限强度的两个简单的表达式。 ( 4 ) y a oe ta l 从理论分析入手，克服了以往学者引用工程上经典的公式 来分析船体结构单元失效而带来的误差。分别推导了梁单元的应力一应变关系， 板单元的应力一应变关系。对梁单元考虑了梁的压缩屈曲和弯曲扭转耦合屈曲 失效形式，对板单元分别考虑了弹塑性大变形和刚塑性大变形以及受压屈曲的 情况。但在推导梁单元应力一应变关系曲线时没有考虑梁和板之间的相互影响， 7 武汉理工大学硕士学位论文 故分析薄壁结构时不能得到较好的结果。 ( 5 ) r u t h e r f o r d 和c a l d w e l l 在b i l l i n g s l e y 方法的基础上考虑了横向压 力，初始变形以及腐蚀率等因素的影响，并用非线性有限元分析验证了模型和 方法的有效性。 ( 6 ) g o r d oe ta l 在r u t h e r f o r d 和c a l d w e l l 的基础上采用f a u l k n e r 推导 的关于板单元和加筋板单元的极限强度公式，用来分析和预测板和加筋板的变 形特性。并对c a l d w e l l 提出的船体中和轴移动判断标准进行了改进，从而使改 进后的计算方法在计算过程中所得到的结果更接近于实际结果。 ( 7 ) r a h m a n 和c h o w d h u r y 最近提出了船体梁极限弯矩计算方法，其船体梁 截面由加强筋单元来组成。提出了单元在受拉和受压情况下不同阶段的应力一 应变关系，由于船体梁主要破坏模式是中垂时甲板受压失稳破坏，所以作者主 要讨论了加强筋单元受压破坏强度及其以后应力一应变关系表达式，并提出了 一种新的应力一应变关系。计算结果和一系列的实验结果比较表明了该方法的 有效性。 综上所述可以看出：关于船体梁的总纵极限强度的分析，有限元法数据准 备量大，计算时间长，不便在设计阶段推广应用。因此本文作者基于共同规范 ( j b p ) 建立拉伸和压缩加筋板单元的标准应力一应变关系曲线，开发了船体极 限强度的简化逐步破坏分析方法。并应用该简化方法编制的计算程序较为详细 的分析了数种船型的极限强度。结果表明本文开发的简化逐步破坏法计算程序 是正确可靠的。本文第3 、4 章就是分析船体的极限强度。 1 3 2 主要研究内容 1 单元的极限应力 如果纵向加筋板不发生整体屈曲，那么可以将其分成加筋板单元和硬角单 元，分别求出它们的极限应力。对于加筋板单元，按照共同规范( j b p ) 确定其 失效模式。对于硬角单元，可以视之为理想弹塑性材料。 2 单元的应力一应变关系的计算 基于共同规范( 3 b p ) 确定受压加筋板单元的各种失效模式，得出应力一应 变关系曲线。对于受拉单元，可以认为材料在达到屈服应力前为线性变化，达 到屈服应力后，应力保持不变。对于硬角单元，由于它是由若干相交板和一些 扶强材构成，在简化方法中一般认为硬角单元的应力一应变关系等同于理想的 8 武汉理工大学硕士学位论文 弹塑性材料。 3 船体的极限强度计算 逐步增加船体梁的曲率，对每一个曲率值，根据平断面假设以及船体断面 瞬时中和轴可得到断面上每一单元的应变，由单元的特征曲线又可进一步得到 单元上的应力。断面所有单元上的力对瞬时中和轴取矩后，其总和即断面的弯 矩。逐步增加曲率进行一系列计算后，曲线斜率为零的点所对应的弯矩值m ， 即为总纵极限弯矩。本文运用计算机程序计算了几种不同类型的船体结构，得 到了其极限强度值，并与一些知名学者的结果进行比较，检验程序的准确性。 4 敏感度分析 用逐步破坏分析法计算船体结构因屈曲及屈服导致的极限强度问题时，计 算中的各种因素会对结果有或多或少的影响。如屈服应力、杨氏模量、板厚、 初始缺陷、焊接残余应力等等。本文较为系统地探讨了这些因素的变化对最终 结果的影响，分析了典型箱形梁及实船，并给出了相应的影响曲线。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章加筋板和硬角单元的极限强度分析 2 1 引言 在结构上船体梁可以看作由大量加筋板单元和硬角单元组成的箱形梁结 一构。所谓加筋板是指加强筋( 如纵骨) 及其带板所组成的构件：而硬角是指船体 梁横剖面上刚度较大的构成单元，这些单元一般由两块不共面的板组成，像舭 部、舷顶列板一甲板边板单元、纵桁一甲板的连接、大纵桁的腹板一面板连接 都是典型的硬角单元。有关的划分见下图： ，l - 卜l l ，少土少、巳 、一、。 一j i _ 加翥板单元 硬角单元 、)一 j 一j i 、 _ i 、 ， a ) 舷侧、内壳及甲板b ) 纵舱壁上水平桁 图2 1 结构单元定义示例 在整个船体结构中，各类加强筋就占到船体结构钢料的3 0 ，加筋板格是 船体结构的主要组成部分，如甲板、底部、舱壁、舷侧等。对于现在大部分船 舶而言，都是纵骨架式结构，沿纵向设置加强筋的加筋板格是船体结构的重要 承载构件，其带板的主要作用是吸收面内及垂向载荷，并将其分配给船体的主 l o 蜀一时 位拶 武汉理工大学硕士学位论文 要构件( 如纵桁) ：而加强筋能承担大部分的垂向载荷并保证带板有足够的稳定 性来承担面内载荷。当所受的外载荷达到一定值时，加筋板将达到其极限状态， 从而发生破坏。因此，研究加筋板格的极限强度对研究船体的极限强度具有重 大的工程意义。 本文正是基于( ( i a c s 共同规范”。介绍加筋板的失效模式和单元的应力一 应变关系。 2 2 加筋板的失效模式 船体梁结构中加强筋大多由轧制型钢。t 型钢或折边钢板等制成，并与焊接 的船体钢板形成加筋板单元，共同抵抗弯曲。加筋板单元在设计时应符合下列 要求：1 ) 具有足够的强度、刚度和稳定性：2 ) 应尽可能符合生产与工艺方面的要 求，如制造简单、施工质量高：3 ) 满足特殊结构与营运使用的要求，例如，为 保证货舱容积而对型材剖面高度的限制、因腐蚀磨损而对最小板厚的要求等：4 ) 剖面内材料分布合理，使所得结构重量最轻。 加筋板单元通常受到面内组合载荷和侧向压力载荷。面内载荷主要是船体 总纵弯曲和船体扭转引起的，因此面内载荷包括纵向面内拉压力、横向面内拉 压力、面内弯矩和剪应力。水压和货物导致侧向压载荷。这些载荷并不是一直 同时存在，但它们相互影响，互相作用。它们导致加筋板单元产生一种或多种 可能的崩溃，受面内压力作用的加筋板单元主要有以下几种失效模式“1 ： 1 ) 整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱时，包括横向构件( 横梁、 横骨等) 和纵向加强筋以及板一起在弹性范围内发生弯曲屈曲，当然，通常情 况下，此时加筋板依然还能承受一定的载荷( 即所谓的板的后屈曲性能) ，直到 截面中有更多区域达到强度屈服极限，从而导致整体板格发生破坏。 2 ) 梁柱屈曲。当筋条为对称结构，筋板刚度相差不是很大时，筋板易发生 粱柱屈曲。 3 ) 板材屈曲。板材屈曲( 即带板压缩失效) 是由于带板所受载荷超过了它 所能承受的最大载荷，同时带板面内刚度的丧失导致加筋板单元的破坏，这时 加强筋还是处于线弹性阶段。这种情况的发生，通常是由于加筋板单元具有高 强度的加强筋，但是相连的带板却具有较低的屈服极限值。 4 ) 筋的腹板的局部屈曲。加筋板在受压时除了板会发生局部的屈曲以外， 武汉理工大学硕士学位论文 加强筋的腹板也可能发生局部屈曲。加强筋的腹板发生局部屈曲后，板架中的 板将失去支承，很快就失去承载能力，从而引起整个板架结构的破坏。当加筋 板腹板的高厚比较大时易发生此种屈曲。 5 ) 扭转屈曲。加强筋扭转屈曲是由于加强筋的抗扭刚度过小而发生。当加 强筋的抗扭刚度较小时，受压时加强筋会绕着筋与板的交线发生局部扭曲，这 种现象就叫着筋的侧倾失稳。一旦加强筋发生侧倾失稳时，会使板架结构中的 板突然间丧失加强筋对板的支撑作用，从而导致整个板架结构的失稳破坏。因 此在设计阶段，设计者都必须防止加强筋的侧倾失稳。 综上所述，对于第1 ) 种破坏模式，在现在船舶设计规范中已有比较严格 的控制，可以保证在正常状态下这种破坏模式不会发生，至少晚于其它四种破 坏模式的发生，所以结合_ o 2 e 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 占一l 2 2 1 j j f ；叶定义的相对应燹； 盯“- 柱子欧拉应力，n r a m 2 ： 可2 e 寺 r 。一普通加强筋净惯性矩，m m 4 ，且带板宽为b 。； b e l - 有效带板宽度，n 3 r d ： b e l = 云，对于胁l o b i = 5 ，对于恁s 1 0 尾2 毒警f 。y占 j 带板宽度，m m ，取为加强筋的纵骨间距； f 。一带板厚度，姗； ，加筋板单元的跨距，n 皿； a f 一带板宽度为b e 的普通加强筋净剖面积，n i t d 2 ； 一有效带板宽度，i t u n ； 驴( 署一万1 2 5 m 对于胁1 2 5 b 。= j ，对于屏i 2 5 1 4 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 扭转屈曲 0 c 1 0 c i ! 图2 3 梁柱屈曲的应力一应变曲线仃一s 对于组成船体梁横剖面的普通加强筋的扭转屈曲，描述其应力- 应变曲线 o r 。2 一s 【1 5 】的方程由下式得出( 见图2 4 ) ： 如c 等等# ， n 耐池， 式中：m 2 2 1 所定义的边缘函数： a ，加强筋的净剖面积，n l d _ 2 ，不包括带板； 盯c 2 临界应力，n r a m 2 ： o r c 2 ：垒， s对于孚 0 c 2 = a e h ( t 一等) ，对巩z 孚s 2 2 1 所定义的相对应变； 盯f 2 一扭转欧拉屈曲应力，n m m 27 ：手(警+0385ir)0_2 2 i - 了产 1 5 ( 2 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 固定度： = l + h w ，。力口强筋腹板的高度、厚度，衄 ( 2 9 ) 刀口强劢f 艮琚具兰舌栩型瓦州小l 司，王妥分为扁钢、用剥以及l 型铡，p 、l r 和1 。的值由结构型式所决定； i p - 加强筋关于加强筋与带板交线处的净极惯性矩，1 1 1 1 1 1 4 ； = 竽，对扁钢 ：墨晏+ 4 。，2 ， 对角钢和t 型钢 i r 力口强筋的净圣维南惯性矩，m m 4 ； 扣竽卜6 ，针对扁钢 矗= 竽( 廿学卜6 ，针对角醐 ，。一加强筋的净剖面扇形惯性矩，l l l l n 6 ： l = 等3 手3 ，对扁钢 l = 等( 等等 ，对球扁钢和角钢 卜警，对t 蝴 a 。力口强筋的腹板净面积，m m 2 ，为：a ：h 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 t ， e 2 k + 1 r l l n 二 d c p ：( 孚一警) 哳对于胁1 2 5 d 。2 万一万盯“列十玩 o 叶厂、 一 2 2 4 筋腹板的局部屈曲 根据加强筋剖面形状，这里要分两种情况讨论，一种是针对具有翼板折边 的普通加强筋，也就是角钢或者t 型钢：一种是针对扁钢： 2 ，2 4 1 翼板折边剖面的加强筋腹板局部屈曲 对于组成船体梁横剖面的具有翼板所边的普通加强筋的腹板局部屈益，描 述其应力应变曲线o c r ，一f 【l - 5 】的方程由下式得出： ，曲c等糕，nram2(2-10)t 盯+ n f + d ， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 式中：中一【2 2 1 j 所定义的边缘函数： b e - 2 ，2 。2 所定义的有效带板宽度，l l l l n ； t p - 带板厚度，i ) 1 i l l ； h w , t 。- 力口强筋腹板的高度、厚度，n l l l l ； b f , t ，加强筋面板的宽度、厚度，r 啪； s 带板宽度，n l l r l ，取为加强筋的纵骨间距； 厅。一腹板有效高度，m m ； 咖( 署一万1 2 5 地，对于胁1 2 5 k = h 。，对于风s 1 2 5 风= 等警 占 2 2 1 所定义的相对应变。 2 2 4 2 扁钢制成的加强筋腹板局部屈曲 对于组成船体梁横剖面的普通扁钢加强筋的腹板局部屈曲， 变曲线仃c r 。一占1 的方程由下式得出( 见图2 5 ) ： 却警2 式中：西 2 2 1 所定义的边缘函数： o c p - 2 2 3 所定义的带板屈曲应力，n m m 2 ； o c 。- 临界应力，n m m 2 ： 0 c 4 ：垒 f对于孚g ( 2 1 1 ) 描述其应力应 ( 2 1 2 ) 嘞( 1 一等) ，对h 孚占( 2 - 1 3 ) 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 盯e 4 - 局部欧拉屈曲应力，n t m m 2 ： = 1 6 0 0 0 0 ( 苦) 2 s 2 2 1 所定义的相对应变； a ，力强筋的净剖面积，m m 2 ，不包括带板： h w , ，。一加强筋腹板的高度、厚度，i n i n ； j