本文關鍵詞：船體結構的靜力極限強度和砰擊動力響應

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【摘要】：自從2006年船舶結構共同規(guī)范發(fā)布之后,極限強度計算成為船舶結構設計的強制性要求,標志著船舶結構的安全性評價已經從許用應力階段進入極限強度階段。極限強度分析的目的是要合理地預報船體結構的極限強度和失效模式,目前共同規(guī)范提到的極限強度實際上是靜力極限強度。隨著技術的進步和經濟的發(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到與低頻波浪彎矩同一量級,有時甚至能達到數倍波浪彎矩幅值。因此,合理評估船體結構在砰擊載荷作用下的承載能力是一個不能回避的問題。船體結構在極短時間內受到高幅值砰擊載荷時的動力承載能力與其靜力極限強度有著顯著的不同,可通過其砰擊動力響應來間接進行評估,需要綜合考慮沖擊載荷的形狀參數、材料的動力本構關系、結構的慣性效應等多種因素。本文的目的就是通過對船體結構的靜力極限強度和不同沖擊載荷下的砰擊動力響應以及各自對應的失效模式進行研究,為船體結構安全性評估提供有價值的結論和參考性方法。船體結構的砰擊動力響應是其砰擊動力承載能力的反映,沖擊載荷形狀參數是對船體結構砰擊動力響應具有重要影響的因素。本文提出并特別關注沖擊載荷上升時間與沖擊時間比值這一沖擊載荷形狀參數,深入研究沖擊時間、載荷峰值、載荷上升時間與沖擊時間的比值這三種載荷形狀參數對船體結構的砰擊動力響應的影響;沖擊載荷上升時間與沖擊時間比值能夠反映峰值載荷在沖擊時間內出現的早晚程度,對特定載荷工況有重大影響。由于結構復雜,采用解析法和經驗公式獲得船體結構的靜力和動力承載能力有諸多困難,因此目前主要通過數值模擬和實驗方法進行研究。本文基于靜力隱式非線性有限元法,計及材料非線性和幾何非線性因素的影響,對船體結構的靜力極限強度和失效模式進行研究;基于動力顯式非線性有限元法,考慮材料的應變率效應和應變強化效應,采用了通用接觸模型來避免受壓構件之間潛在的穿透和干涉,分析了船體結構的砰擊動力響應。本文對船體結構在壓、剪、彎、扭四種載荷工況下的靜力極限強度和砰擊動力響應進行了研究,所做的工作主要包括:(1)縱向受壓甲板板架的靜力極限強度和砰擊動力響應對由縱桁、強橫梁、加筋板構成的甲板板架的縱向受壓靜力極限強度和失效模式進行研究,分析縱桁數量、板架幾何缺陷對甲板板架縱向受壓靜力極限強度的影響,將加筋板的縱向受壓極限強度公式的適用范圍擴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和幾何缺陷對甲板板架縱向受壓沖擊動力響應的影響。發(fā)現與沖量無關的沖擊載荷上升時間與總的沖擊時間的比值對板架的動力響應有很大的影響,該參數越小,動力響應越大。此外,對縱桁腹板開孔、甲板板架縱向受壓預應力對甲板板架的縱向受壓靜力極限強度及砰擊動力響應的影響也進行了探討。(2)面內剪切舷側橫向密加筋板的靜力極限強度和砰擊動力響應通過對橫向密加筋板的純剪切彈性屈曲強度和極限強度進行研究,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壓力作用下的靜力剪切極限強度和失效模式,發(fā)現橫向密加筋板剪切極限強度會隨著側壓力的增大而降低。研究了不同沖擊載荷形狀參數對有、無側壓橫向密加筋板的面內剪切沖擊動力響應的影響,發(fā)現沖擊載荷上升時間與總的沖擊時間的比值對面內剪切沖擊失效沒有顯著影響。此外,還給出結構腐蝕對橫向密加筋板的面內剪切靜力極限強度和沖擊動力響應的影響。(3)垂向彎曲船體梁的靜力極限強度和砰擊動力響應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度以及相應的失效模式。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、有彎曲預應力狀態(tài)下彎曲砰擊的動力響應;發(fā)現沖擊載荷上升時間與總的沖擊時間比值越小,則船體梁彎曲動力響應越大;給出了有彎曲預應力、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間與總的沖擊時間比值條件下的砰擊動力承載能力遠小于其靜力極限強度的結果。(4)受扭大開口船體梁的靜力極限強度和砰擊動力響應比較了大開口船體梁的扭轉靜力極限強度和中垂、中拱、水平三種彎曲靜力極限強度以及各自的失效模式。分析了大開口船體梁扭轉和垂向彎曲共同作用的靜力極限強度,通過曲線擬合給出了扭轉和垂向彎曲靜力極限強度的相關曲線。分析了沖擊載荷形狀參數對大開口船體梁的純扭轉砰擊動力響應及扭轉和中垂彎曲砰擊共同作用下的動力響應的影響,發(fā)現上升時間與總的沖擊時間的比值對大開口船體梁在扭轉和中垂彎曲砰擊共同作用下的動力響應的影響不確定,需要具體問題具體分析。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U661.4
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本文編號：1160257