含初始缺陷箱型梁结构极限强度研究

发布时间：2020-04-14 20:04

【摘要】：基于船舶极限状态的设计理论可以更好的反映船舶的极限承载能力,相比于传统的设计方法更加安全合理,但在舰船航行过程甲板常常会受到外部载荷作用,甲板结构会因此产生裂纹、破损和变形等缺陷,会降低结构承载而引发安全问题。因此在研究设计船舶的时候不能仅局限于完整结构本身的极限强度,应更多关注含有损伤结构的极限强度。本文利用非线性有限元法,开展了T型梁和箱型梁完整舱段结构和破损舱段结构在弯曲和扭转在作用下的极限强度研究,对比分析了不同裂纹破损模式和不同结构初始变形对T型梁和箱型梁舱段结构极限强度的影响,论文研究的主要内容包括:(1)详细阐述了船舶极限强度分析方法,基于Reckling No.23舱段模型,开展了非线性有限元迭代算法计算效率研究,对比分析了弧长法和准静态法的计算精度和计算效率,获得了保证高精度计算和高效计算的准静态法加载速率。(2)以含裂纹损伤结构为研究对象,对比分析了不同网格尺度对极限强度计算结果的影响,获得了合理的含裂纹结构计算网格尺度;(3)开展了考虑厚度影响的含裂纹舱段结构极限强度研究,首次提出了考虑厚度影响的T型梁舱段结构弯曲和扭转极限强度评估公式;分析计算了不同厚度下含典型裂纹损伤的T型梁结构在弯曲和扭转载荷作用下的极限强度,基于准牛顿法(BFGS)和通用全局优化法对极限强度分析结果进行拟合,得到了评估公式中相关参数。(4)利用非线性有限元法开展了T型梁和箱型梁完整舱段结构及具有中心裂纹、双边裂纹、单边裂纹等破损舱段结构在弯曲和扭转载荷作用下的极限强度计算,通过对比分析,获得了不同破损模式下T型梁和箱型梁舱段结构极限强度变化规律。(5)考虑箱型梁结构与T型梁结构的差异性,引入具有甲板缺陷、柱型缺陷和侧移缺陷的初始变形特征模型,利用非线性有限元法开展了T型梁和箱型梁舱段完整舱段结构和破损舱段结构在弯曲和扭转载荷作用下的极限强度计算极限强度分析,通过对比分析,获得了不同破损模式下考虑初始变形的T型梁和箱型梁舱段结构极限强度变化规律。
【图文】：

裂纹,穿透性,拉伸试验,船舶

图 1.1 常见穿透性裂纹Fig.1.1 Common penetrating cracks图1.1表示的是具有穿透性裂纹的平板拉伸试验，裂纹是船舶损伤中最为常见的一种。裂纹的成因有多种，碰撞、疲劳裂纹由小扩展到大、导弹打击后飞片的击穿等等，特别是对于舰船来说，若受到打击则更易形成裂纹。在许多事故分析报告中，裂纹往往存在于这些事故船舶的行驶过程中，但未能对其影响结构极限强度的能力加以重视，最后导致不可逆转的事故产生。对于裂纹的研究是近年来一直没有停止，到目前为止，关于含裂纹结构的极限强度研究主要有两个方面，一是在不考虑裂纹扩展的情况下，假设结构存在确定长度参数和确定角度参数的直线裂纹，，二是考虑裂纹的扩展，研究裂纹扩展对极限强度的影响。基于这两个方面的裂纹理论

流程图,非线性有限元分析,流程

高计算效率，缺点是受边界条件载荷模拟的真实度影响，计算结果精确度浮动较大。随着有限元软件的不断发展其计算结果越来越精确，非线性有限元分析方法已经从众多方法中脱颖而出，成为最理想的方法。该方法的主要流程如图2.1所示。其中对于非线性有限元法来说最重要的环节就是算法的选择，它有三种不同的算法分别为弧长法、阻尼因子法和准静态法。从求解本质而言，弧长法和阻尼因子法是以结构非线性静态平衡方程式的求解（Newton-Raphson迭代法）为基础，而准静态方法是以结构非线性运动方程式的显式求解（中心差分法）为基础[29]。P I 0（2.1）Mü P I（2.2）式中：为载荷列阵；为内力列阵；为质量矩阵；为加速度列阵。图 2.1 非线性有限元分析流程Fig.2.1 Nonlinear finite element analysis flow chart非线性有限元分析方法是依托于大型通用有限元软件存在的，而这些商业化的有限元软件发展到现在，一般都是集前处理、划分网格、加载、算法计算和后处理为一体，因此这样模块化的程序使得使用软件的研究人员可以专心于对课题本身的研究。对于极限强度分析来说，只要合理地将影响因素转化为参数进行设置，就能对船舶结构的极限承载能力进行精?
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.43

【参考文献】