本文關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu)的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)

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【摘要】：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,船舶的主尺度越來越大,航速越來越高,船體梁的柔度大大增加,波浪載荷和砰擊載荷對船體梁安全性的影響越來越大。研究表明,在高海況下,船體梁受到的瞬態(tài)高頻砰擊顫振彎矩幅值可達(dá)到與低頻波浪彎矩同一量級,有時(shí)甚至能達(dá)到數(shù)倍波浪彎矩幅值。因此,合理評估船體結(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)的動力承載能力與其靜力極限強(qiáng)度有著顯著的不同,可通過其砰擊動力響應(yīng)來間接進(jìn)行評估,需要綜合考慮沖擊載荷的形狀參數(shù)、材料的動力本構(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對船體結(jié)構(gòu)的靜力極限強(qiáng)度和不同沖擊載荷下的砰擊動力響應(yīng)以及各自對應(yīng)的失效模式進(jìn)行研究,為船體結(jié)構(gòu)安全性評估提供有價(jià)值的結(jié)論和參考性方法。船體結(jié)構(gòu)的砰擊動力響應(yīng)是其砰擊動力承載能力的反映,沖擊載荷形狀參數(shù)是對船體結(jié)構(gòu)砰擊動力響應(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)對船體結(jié)構(gòu)的砰擊動力響應(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,對特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)的靜力和動力承載能力有諸多困難,因此目前主要通過數(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)的砰擊動力響應(yīng)。本文對船體結(jié)構(gòu)在壓、剪、彎、扭四種載荷工況下的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)進(jìn)行了研究,所做的工作主要包括:(1)縱向受壓甲板板架的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)對由縱桁、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)和幾何缺陷對甲板板架縱向受壓沖擊動力響應(yīng)的影響。發(fā)現(xiàn)與沖量無關(guān)的沖擊載荷上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對板架的動力響應(yīng)有很大的影響,該參數(shù)越小,動力響應(yīng)越大。此外,對縱桁腹板開孔、甲板板架縱向受壓預(yù)應(yīng)力對甲板板架的縱向受壓靜力極限強(qiáng)度及砰擊動力響應(yīng)的影響也進(jìn)行了探討。(2)面內(nèi)剪切舷側(cè)橫向密加筋板的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)通過對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)對有、無側(cè)壓橫向密加筋板的面內(nèi)剪切沖擊動力響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)沖擊載荷上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對面內(nèi)剪切沖擊失效沒有顯著影響。此外,還給出結(jié)構(gòu)腐蝕對橫向密加筋板的面內(nèi)剪切靜力極限強(qiáng)度和沖擊動力響應(yīng)的影響。(3)垂向彎曲船體梁的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)給出了完整和破損兩種狀態(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)受扭大開口船體梁的靜力極限強(qiáng)度和砰擊動力響應(yīng)比較了大開口船體梁的扭轉(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)對大開口船體梁的純扭轉(zhuǎn)砰擊動力響應(yīng)及扭轉(zhuǎn)和中垂彎曲砰擊共同作用下的動力響應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)上升時(shí)間與總的沖擊時(shí)間的比值對大開口船體梁在扭轉(zhuǎn)和中垂彎曲砰擊共同作用下的動力響應(yīng)的影響不確定,需要具體問題具體分析。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U661.4
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本文編號：1160257