發(fā)布時(shí)間：2020-05-31 11:14

【摘要】：船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度是船舶結(jié)構(gòu)安全性的重要保障,因而極限強(qiáng)度評(píng)估長(zhǎng)期以來(lái)受到了船舶工程界的高度關(guān)注,雖然國(guó)內(nèi)外做了大量的研究,但是近年來(lái)船體結(jié)構(gòu)斷裂破壞的事故還是不斷出現(xiàn),仍然需要更加深入的研究。經(jīng)過(guò)五十余年的探究,船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度評(píng)估已經(jīng)在理論分析、數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究及簡(jiǎn)化算法開(kāi)發(fā)等方面取得了豐碩的成果,船舶工程界對(duì)船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)和理解也逐漸清晰。同時(shí),鑒于船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的重要性與復(fù)雜性,第19屆國(guó)際船舶與離岸結(jié)構(gòu)大會(huì)極限強(qiáng)度技術(shù)委員會(huì)依然強(qiáng)調(diào):“極限強(qiáng)度評(píng)估取得了很多進(jìn)展,當(dāng)前正成為保障船舶結(jié)構(gòu)安全的更重要因素。從這個(gè)角度來(lái)看,極限強(qiáng)度委員會(huì)的作用仍然非常重要”。需要指出的是:已有的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究工作絕大多數(shù)都是基于靜力極限強(qiáng)度評(píng)估理念,即認(rèn)為船體結(jié)構(gòu)在單調(diào)增加外載荷作用下崩潰。針對(duì)船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的極限強(qiáng)度研究工作十分稀少。事實(shí)上隨海浪起伏,船體結(jié)構(gòu)是循環(huán)變形的。在多次惡劣海況及其導(dǎo)致的極端載荷的作用下,即使船體梁不發(fā)生整體崩潰,在若干局部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生累積塑性變形是完全可能的。在上述極端循環(huán)載荷作用下,船體結(jié)構(gòu)將在低周疲勞與極限強(qiáng)度破壞(延性破壞)的耦合作用下失效。如果對(duì)與極端循環(huán)載荷密切關(guān)聯(lián)的船體結(jié)構(gòu)(低周)疲勞破壞另作討論,船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的破壞將由伴有塑性變形累積的受壓部件屈曲失效所主導(dǎo)。本論文針對(duì)海況的惡劣程度不斷加劇情形,主要關(guān)注船體結(jié)構(gòu)在惡劣循環(huán)載荷下的極限強(qiáng)度失效問(wèn)題。對(duì)本文研究范圍所作的上述限定是有益的,表明船體結(jié)構(gòu)將在不斷加劇地惡劣海況下持續(xù)產(chǎn)生新的塑性變形,雖然循環(huán)載荷下的船體結(jié)構(gòu)安定性問(wèn)題也非常重要,但與低周疲勞問(wèn)題都不是本文的研究重點(diǎn)。本文運(yùn)用理論分析、數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究及Smith簡(jiǎn)化算法等對(duì)船體板、船體加筋板以及船體梁在循環(huán)載荷下的極限承載性能開(kāi)展了全面而深入的研究。通過(guò)本文研究,在國(guó)際上首次提出和實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的極限強(qiáng)度的評(píng)估方法和手段,研究?jī)?nèi)容在理論分析、模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、到簡(jiǎn)化算法等工作上進(jìn)行了全覆蓋,全面突破、提升和開(kāi)拓了船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度評(píng)估的研究現(xiàn)狀和方向,對(duì)今后實(shí)現(xiàn)真實(shí)海洋環(huán)境下船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究具有引領(lǐng)、示范作用。本文工作對(duì)更加真實(shí)、有效地評(píng)估船體的極限強(qiáng)度有很好的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值,論文的研究成果為船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究提供了新的思路和有價(jià)值的理論參考。主要工作如下:(1)系統(tǒng)歸納了船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究的發(fā)展歷程及其研究現(xiàn)狀,對(duì)其研究方法及相關(guān)研究成果進(jìn)行了總結(jié)。在總結(jié)已有的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究的基礎(chǔ)上,提出并闡明了開(kāi)展循環(huán)載荷下考慮累積塑性破壞的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究的重要意義,同時(shí)對(duì)與其直接相關(guān)的研究成果進(jìn)行了梳理。(2)從已有的面內(nèi)循環(huán)載荷下板構(gòu)件極限承載性能研究(Fukumoto,黃震球)著手,提出面內(nèi)循環(huán)壓縮下船體板的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變滯回曲線的理論建構(gòu)思路。并將基于上述思路獲得的面內(nèi)循環(huán)壓縮下船體板平均應(yīng)力-平均應(yīng)變滯回曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行了對(duì)比。(3)運(yùn)用梁-柱理論推導(dǎo)船體梁橫剖面上加筋板單元在面內(nèi)單調(diào)壓縮下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系,結(jié)合非線性有限元方法對(duì)梁-柱法平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)擴(kuò)展加筋板單元在面內(nèi)單調(diào)壓縮下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系,獲得了加筋板單元在面內(nèi)循環(huán)載荷下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系。(4)運(yùn)用非線性有限元方法對(duì)面內(nèi)循環(huán)載荷作用下的船體板(方板)、船體加筋板及船體梁的極限承載特性開(kāi)展了數(shù)值研究。其中討論了有限元模型的建模范圍、單元選擇、網(wǎng)格尺寸、初始缺陷、邊界條件、循環(huán)載荷加載方法及計(jì)算結(jié)果處理等。(5)設(shè)計(jì)制作了七個(gè)方柱系列模型,對(duì)其開(kāi)展軸向循環(huán)壓縮下的極限承載性能試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)及非線性有限元研究了船體板在面內(nèi)循環(huán)壓縮下的失效特性及其(剩余)極限強(qiáng)度,(剩余)剛度等重要特性。(6)設(shè)計(jì)制作了五個(gè)箱型梁系列模型,對(duì)其開(kāi)展了單側(cè)、雙側(cè)循環(huán)彎曲下的極限崩潰試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)研究了船體梁在反復(fù)中垂及交替中垂-中拱彎矩下的極限承載性能。同時(shí),對(duì)部分模型試驗(yàn)開(kāi)展了非線性有限元模擬。(7)以單調(diào)彎矩下船體梁極限強(qiáng)度逐步崩潰法(Smith方法)為基礎(chǔ),研制了循環(huán)彎曲下船體梁的極限強(qiáng)度逐步崩潰法計(jì)算程序。運(yùn)用所研制的計(jì)算程序?qū)Σ煌孛嫘问降南湫土哼M(jìn)行了單側(cè)循環(huán)、雙側(cè)循環(huán)模式下的極限強(qiáng)度評(píng)估。針對(duì)循環(huán)彎矩幅值的不同,對(duì)兩艘實(shí)船開(kāi)展了循環(huán)彎曲極限強(qiáng)度評(píng)估。(8)總結(jié)本文的研究工作,并對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行展望。
【圖文】：

圖 1-1 “Titanic Liverpool”與冰山相撞后的海水涌入導(dǎo)致其斷為兩截從船舶力學(xué)和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的視角觀察泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)事故，有以下幾訓(xùn)可以獲得。首先，鋼材因?yàn)榈蜏�，其韌性降低而脆化。即使是當(dāng)今品也依然遵循上述規(guī)律，有理由懷疑用于建造泰坦尼克號(hào)的鋼材在低裂韌性不足。換句話說(shuō)，泰坦尼克號(hào)的船體結(jié)構(gòu)在低溫下容易因局部生脆性破壞。其次，報(bào)道稱其與冰山碰撞時(shí)的撞擊速度約為 23節(jié)（接近），使得船體在撞擊后嚴(yán)重破裂，致使大量海水涌入船體。意外涌入變了船體的載荷分布，并極大增加了船體梁的最大彎矩。最后，由于，甲板結(jié)構(gòu)受到較大的壓縮載荷，導(dǎo)致了船體結(jié)構(gòu)的屈曲崩潰。綜上船體破損，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用考慮屈曲/塑性失效的極限狀態(tài)。案例二：?jiǎn)螝び洼啞癊nergy Concentration”事故“Energy Concentration”是一艘單殼原油運(yùn)輸船，其總長(zhǎng)，型寬和型深312.7, 48.2 和 25.2 米，總噸位 98894 噸。1980 年 7 月 21 日，“E

圖 1-2 “Energy Concentration”折斷后的情形從船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的視角，可以從“Energy Concentration”事故中獲得一訓(xùn)。首先，貨物卸載不當(dāng)可能會(huì)使船體梁承受的最大彎矩超過(guò)其最大矩。其次，甲板板或船底板需要基于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，以船體梁極限強(qiáng)度能夠承受因?yàn)橐馔獬霈F(xiàn)的貨物裝載和卸載情況對(duì)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的嚴(yán)重影響。Rutherford & Caldwell[2]仔細(xì)分析了事故原為卸載流程不當(dāng)是事故發(fā)生的主要原因，強(qiáng)調(diào)了船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研性。案例三：散貨船“Derbyshire”號(hào)事故“Derbyshire”號(hào)是一艘雙舷好望角型散貨船，總長(zhǎng) 281.9 米，型寬 44 25 米，最大載重量 173218 噸。事故發(fā)生時(shí)，，只有 5 年船齡，可以認(rèn)有遭受任何與運(yùn)營(yíng)損耗有關(guān)的結(jié)構(gòu)弱化。另外一個(gè)顯著特征是它采用構(gòu)，可以防止舷側(cè)結(jié)構(gòu)破壞后海水涌入貨艙。1980 年 9 月 9 日，她在花”肆虐期間從加拿大載運(yùn)精鐵礦前往日本，在日本四國(guó)島以南約 4
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U661.43

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2689770