船體結(jié)構(gòu)的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動(dòng)力響應(yīng).pdf

1、自從2006年船舶結(jié)構(gòu)共同規(guī)范發(fā)布之后，極限強(qiáng)度計(jì)算成為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性要求，標(biāo)志著船舶結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)已經(jīng)從許用應(yīng)力階段進(jìn)入極限強(qiáng)度階段。極限強(qiáng)度分析的目的是要合理地預(yù)報(bào)船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度和失效模式，目前共同規(guī)范提到的極限強(qiáng)度實(shí)際上是靜力極限強(qiáng)度。
　　隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，船舶的主尺度越來(lái)越大，航速越來(lái)越高，船體梁的柔度大大增加，波浪載荷和砰擊載荷對(duì)船體梁安全性的影響越來(lái)越大。研究表明，在高海況下，船體梁受到的瞬態(tài)高

2、頻砰擊顫振彎矩幅值可達(dá)到與低頻波浪彎矩同一量級(jí)，有時(shí)甚至能達(dá)到數(shù)倍波浪彎矩幅值。因此，合理評(píng)估船體結(jié)構(gòu)在砰擊載荷作用下的承載能力是一個(gè)不能回避的問(wèn)題。船體結(jié)構(gòu)在極短時(shí)間內(nèi)受到高幅值砰擊載荷時(shí)的動(dòng)力承載能力與其靜力極限強(qiáng)度有著顯著的不同，可通過(guò)其砰擊動(dòng)力響應(yīng)來(lái)間接進(jìn)行評(píng)估，需要綜合考慮沖擊載荷的形狀參數(shù)、材料的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系、結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)等多種因素。本文的目的就是通過(guò)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的靜力極限強(qiáng)度和不同沖擊載荷下的砰擊動(dòng)力響應(yīng)以及各自對(duì)應(yīng)的失效

3、模式進(jìn)行研究，為船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估提供有價(jià)值的結(jié)論和參考性方法。
　　船體結(jié)構(gòu)的砰擊動(dòng)力響應(yīng)是其砰擊動(dòng)力承載能力的反映，沖擊載荷形狀參數(shù)是對(duì)船體結(jié)構(gòu)砰擊動(dòng)力響應(yīng)具有重要影響的因素。本文提出并特別關(guān)注沖擊載荷上升時(shí)間與沖擊時(shí)間比值這一沖擊載荷形狀參數(shù)，深入研究沖擊時(shí)間、載荷峰值、載荷上升時(shí)間與沖擊時(shí)間的比值這三種載荷形狀參數(shù)對(duì)船體結(jié)構(gòu)的砰擊動(dòng)力響應(yīng)的影響；沖擊載荷上升時(shí)間與沖擊時(shí)間比值能夠反映峰值載荷在沖擊時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的早晚程度，對(duì)特

4、定載荷工況有重大影響。
　　由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用解析法和經(jīng)驗(yàn)公式獲得船體結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力承載能力有諸多困難，因此目前主要通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。本文基于靜力隱式非線性有限元法，計(jì)及材料非線性和幾何非線性因素的影響，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的靜力極限強(qiáng)度和失效模式進(jìn)行研究；基于動(dòng)力顯式非線性有限元法，考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)和應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，采用了通用接觸模型來(lái)避免受壓構(gòu)件之間潛在的穿透和干涉，分析了船體結(jié)構(gòu)的砰擊動(dòng)力響應(yīng)。本文對(duì)船體結(jié)構(gòu)在壓、剪

5、、彎、扭四種載荷工況下的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，所做的工作主要包括：
　?。?）縱向受壓甲板板架的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動(dòng)力響應(yīng)
　　對(duì)由縱桁、強(qiáng)橫梁、加筋板構(gòu)成的甲板板架的縱向受壓靜力極限強(qiáng)度和失效模式進(jìn)行研究，分析縱桁數(shù)量、板架幾何缺陷對(duì)甲板板架縱向受壓靜力極限強(qiáng)度的影響，將加筋板的縱向受壓極限強(qiáng)度公式的適用范圍擴(kuò)展到縱桁腹板柔度與加筋間板柔度接近的有縱桁甲板板架。
　　給出了沖擊載荷形狀參數(shù)和幾何缺陷對(duì)

6、甲板板架縱向受壓沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)與沖量無(wú)關(guān)的沖擊載荷上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對(duì)板架的動(dòng)力響應(yīng)有很大的影響，該參數(shù)越小，動(dòng)力響應(yīng)越大。此外，對(duì)縱桁腹板開(kāi)孔、甲板板架縱向受壓預(yù)應(yīng)力對(duì)甲板板架的縱向受壓靜力極限強(qiáng)度及砰擊動(dòng)力響應(yīng)的影響也進(jìn)行了探討。
　?。?）面內(nèi)剪切舷側(cè)橫向密加筋板的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動(dòng)力響應(yīng)
　　通過(guò)對(duì)橫向密加筋板的純剪切彈性屈曲強(qiáng)度和極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，給出橫向密加筋板的最小加筋彎曲剛度。分析了橫向

7、密加筋板在側(cè)壓力作用下的靜力剪切極限強(qiáng)度和失效模式，發(fā)現(xiàn)橫向密加筋板剪切極限強(qiáng)度會(huì)隨著側(cè)壓力的增大而降低。
　　研究了不同沖擊載荷形狀參數(shù)對(duì)有、無(wú)側(cè)壓橫向密加筋板的面內(nèi)剪切沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊載荷上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對(duì)面內(nèi)剪切沖擊失效沒(méi)有顯著影響。此外，還給出結(jié)構(gòu)腐蝕對(duì)橫向密加筋板的面內(nèi)剪切靜力極限強(qiáng)度和沖擊動(dòng)力響應(yīng)的影響。
　?。?）垂向彎曲船體梁的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動(dòng)力響應(yīng)
　　給出了完整和破損兩種

8、狀態(tài)下的船體梁的靜力中垂和中拱極限強(qiáng)度以及相應(yīng)的失效模式。
　　分析了船體梁在純彎曲砰擊、彎曲砰擊和縱向受壓砰擊共同作用、有彎曲預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下彎曲砰擊的動(dòng)力響應(yīng)；發(fā)現(xiàn)沖擊載荷上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間比值越小，則船體梁彎曲動(dòng)力響應(yīng)越大；給出了有彎曲預(yù)應(yīng)力、縱向壓縮和垂向彎曲砰擊共同作用，且船體梁在較小的載荷沖擊上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間比值條件下的砰擊動(dòng)力承載能力遠(yuǎn)小于其靜力極限強(qiáng)度的結(jié)果。
　　（4）受扭大開(kāi)口船體梁的靜力極限強(qiáng)度和

9、砰擊動(dòng)力響應(yīng)
　　比較了大開(kāi)口船體梁的扭轉(zhuǎn)靜力極限強(qiáng)度和中垂、中拱、水平三種彎曲靜力極限強(qiáng)度以及各自的失效模式。分析了大開(kāi)口船體梁扭轉(zhuǎn)和垂向彎曲共同作用的靜力極限強(qiáng)度，通過(guò)曲線擬合給出了扭轉(zhuǎn)和垂向彎曲靜力極限強(qiáng)度的相關(guān)曲線。
　　分析了沖擊載荷形狀參數(shù)對(duì)大開(kāi)口船體梁的純扭轉(zhuǎn)砰擊動(dòng)力響應(yīng)及扭轉(zhuǎn)和中垂彎曲砰擊共同作用下的動(dòng)力響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對(duì)大開(kāi)口船體梁在扭轉(zhuǎn)和中垂彎曲砰擊共同作用下的動(dòng)力響應(yīng)的影響不