循环载荷下考虑累积塑性破坏的船体结构极限强度研究

发布时间：2020-05-31 11:14

【摘要】：船体结构的极限强度是船舶结构安全性的重要保障,因而极限强度评估长期以来受到了船舶工程界的高度关注,虽然国内外做了大量的研究,但是近年来船体结构断裂破坏的事故还是不断出现,仍然需要更加深入的研究。经过五十余年的探究,船体结构的极限强度评估已经在理论分析、数值计算、试验研究及简化算法开发等方面取得了丰硕的成果,船舶工程界对船体结构极限强度的认识和理解也逐渐清晰。同时,鉴于船体结构极限强度的重要性与复杂性,第19届国际船舶与离岸结构大会极限强度技术委员会依然强调:“极限强度评估取得了很多进展,当前正成为保障船舶结构安全的更重要因素。从这个角度来看,极限强度委员会的作用仍然非常重要”。需要指出的是:已有的船体结构极限强度研究工作绝大多数都是基于静力极限强度评估理念,即认为船体结构在单调增加外载荷作用下崩溃。针对船体结构在循环载荷下的极限强度研究工作十分稀少。事实上随海浪起伏,船体结构是循环变形的。在多次恶劣海况及其导致的极端载荷的作用下,即使船体梁不发生整体崩溃,在若干局部结构中产生累积塑性变形是完全可能的。在上述极端循环载荷作用下,船体结构将在低周疲劳与极限强度破坏(延性破坏)的耦合作用下失效。如果对与极端循环载荷密切关联的船体结构(低周)疲劳破坏另作讨论,船体结构在循环载荷下的破坏将由伴有塑性变形累积的受压部件屈曲失效所主导。本论文针对海况的恶劣程度不断加剧情形,主要关注船体结构在恶劣循环载荷下的极限强度失效问题。对本文研究范围所作的上述限定是有益的,表明船体结构将在不断加剧地恶劣海况下持续产生新的塑性变形,虽然循环载荷下的船体结构安定性问题也非常重要,但与低周疲劳问题都不是本文的研究重点。本文运用理论分析、数值计算、试验研究及Smith简化算法等对船体板、船体加筋板以及船体梁在循环载荷下的极限承载性能开展了全面而深入的研究。通过本文研究,在国际上首次提出和实现了船体结构在循环载荷下的极限强度的评估方法和手段,研究内容在理论分析、模型实验、数值模拟、到简化算法等工作上进行了全覆盖,全面突破、提升和开拓了船体结构极限强度评估的研究现状和方向,对今后实现真实海洋环境下船体结构极限强度研究具有引领、示范作用。本文工作对更加真实、有效地评估船体的极限强度有很好的科学意义和工程应用价值,论文的研究成果为船体结构极限强度的研究提供了新的思路和有价值的理论参考。主要工作如下:(1)系统归纳了船体结构极限强度研究的发展历程及其研究现状,对其研究方法及相关研究成果进行了总结。在总结已有的船体结构极限强度研究的基础上,提出并阐明了开展循环载荷下考虑累积塑性破坏的船体结构极限强度研究的重要意义,同时对与其直接相关的研究成果进行了梳理。(2)从已有的面内循环载荷下板构件极限承载性能研究(Fukumoto,黄震球)着手,提出面内循环压缩下船体板的平均应力-平均应变滞回曲线的理论建构思路。并将基于上述思路获得的面内循环压缩下船体板平均应力-平均应变滞回曲线与试验曲线进行了对比。(3)运用梁-柱理论推导船体梁横剖面上加筋板单元在面内单调压缩下的平均应力-平均应变关系,结合非线性有限元方法对梁-柱法平均应力-平均应变关系进行改进。通过扩展加筋板单元在面内单调压缩下的平均应力-平均应变关系,获得了加筋板单元在面内循环载荷下的平均应力-平均应变关系。(4)运用非线性有限元方法对面内循环载荷作用下的船体板(方板)、船体加筋板及船体梁的极限承载特性开展了数值研究。其中讨论了有限元模型的建模范围、单元选择、网格尺寸、初始缺陷、边界条件、循环载荷加载方法及计算结果处理等。(5)设计制作了七个方柱系列模型,对其开展轴向循环压缩下的极限承载性能试验。通过试验及非线性有限元研究了船体板在面内循环压缩下的失效特性及其(剩余)极限强度,(剩余)刚度等重要特性。(6)设计制作了五个箱型梁系列模型,对其开展了单侧、双侧循环弯曲下的极限崩溃试验。通过试验研究了船体梁在反复中垂及交替中垂-中拱弯矩下的极限承载性能。同时,对部分模型试验开展了非线性有限元模拟。(7)以单调弯矩下船体梁极限强度逐步崩溃法(Smith方法)为基础,研制了循环弯曲下船体梁的极限强度逐步崩溃法计算程序。运用所研制的计算程序对不同截面形式的箱型梁进行了单侧循环、双侧循环模式下的极限强度评估。针对循环弯矩幅值的不同,对两艘实船开展了循环弯曲极限强度评估。(8)总结本文的研究工作,并对后续研究工作进行展望。
【图文】：

泰坦尼克号,船体结构设计,船舶力学,冰山

图 1-1 “Titanic Liverpool”与冰山相撞后的海水涌入导致其断为两截从船舶力学和船体结构设计的视角观察泰坦尼克号沉没事故，有以下几训可以获得。首先，钢材因为低温，其韧性降低而脆化。即使是当今品也依然遵循上述规律，有理由怀疑用于建造泰坦尼克号的钢材在低裂韧性不足。换句话说，泰坦尼克号的船体结构在低温下容易因局部生脆性破坏。其次，报道称其与冰山碰撞时的撞击速度约为 23节（接近），使得船体在撞击后严重破裂，致使大量海水涌入船体。意外涌入变了船体的载荷分布，并极大增加了船体梁的最大弯矩。最后，由于，甲板结构受到较大的压缩载荷，导致了船体结构的屈曲崩溃。综上船体破损，在船体结构设计中需要应用考虑屈曲/塑性失效的极限状态。案例二：单壳油轮“Energy Concentration”事故“Energy Concentration”是一艘单壳原油运输船，其总长，型宽和型深312.7, 48.2 和 25.2 米，总吨位 98894 吨。1980 年 7 月 21 日，“E

船体结构设计,视角,事故,情形

图 1-2 “Energy Concentration”折断后的情形从船体结构设计的视角，可以从“Energy Concentration”事故中获得一训。首先，货物卸载不当可能会使船体梁承受的最大弯矩超过其最大矩。其次，甲板板或船底板需要基于极限状态设计理念进行设计，以船体梁极限强度能够承受因为意外出现的货物装载和卸载情况对设计以及设计环节的严重影响。Rutherford & Caldwell[2]仔细分析了事故原为卸载流程不当是事故发生的主要原因，强调了船体结构极限强度研性。案例三：散货船“Derbyshire”号事故“Derbyshire”号是一艘双舷好望角型散货船，总长 281.9 米，型宽 44 25 米，最大载重量 173218 吨。事故发生时，，只有 5 年船龄，可以认有遭受任何与运营损耗有关的结构弱化。另外一个显著特征是它采用构，可以防止舷侧结构破坏后海水涌入货舱。1980 年 9 月 9 日，她在花”肆虐期间从加拿大载运精铁矿前往日本，在日本四国岛以南约 4
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.43

【参考文献】