受损船体结构剩余极限强度研究

发布时间：2020-09-03 15:27

　　由于船体是由各个部分的加筋板格通过焊接的方式组合成的复杂箱型梁结构。在船舶运营过程中,由于长期受到恶劣海况的影响,在自身重力、货物以及波浪力等周期性交变载荷共同作用下,很容易在焊接区域产生疲劳裂纹。由于操作不当导致的突发事件,如船舶搁浅、碰撞以及货物装卸等则会对船体结构造成不同程度的损伤包括板格的局部凹陷、断裂破损等。因此,对于年久失修的老龄船舶,给出结构在裂纹、凹痕等损伤下的剩余极限强度评估能为船舶结构的维护和保养提供可靠依据,对保证老龄船舶运营使用过程中的安全性和延长船舶的使用寿命都具有重要意义。对于某些甲板含有大开口的船舶,比如集装箱船或者大型散货船。由于甲板大开口的特殊结构形式,使得船体舱段结构的抗扭刚度明显降低。在这种情况下,对于船体结构强度进行校核时,不仅需要考虑船体结构抵抗垂向总纵弯曲变形的能力,还需要对舱段抗扭转极限强度进行相应的评估分析。为了提高经济效益,船舶建造中高强度钢被广泛使用,船体板的屈服强度不断提高,而板厚选取则越来越薄,反而降低了结构的刚度。同时,高强度钢的使用并没有使结构的抗疲劳和防撞性能得到明显改善。本文针对上述船体结构极限强度中所面临的问题,具体做了以下研究工作:(1)系统总结概括了完整加筋板结构在受到压缩载荷作用下极限强度评估的经验公式,对比了不同简化预测公式的特点。通过非线性有限元方法分析了船体甲板加筋板架的屈曲和后屈曲特性,分别考虑了板厚、加强筋尺寸、纵骨间距、横梁间距等参数对受压加筋板极限强度的影响,研究了不同材料屈服强度的变化对受压加筋板失效破坏模式的影响。(2)船体结构由于重物坠落、碰撞、搁浅等会产生局部凹痕损伤。本文归纳总结了凹痕损伤的各种形状函数形式,通过对加筋板中间跨度区域预置凹痕的方法,分析了凹痕对受压加筋板后屈曲行为的影响,分别考虑了凹痕形状、凹痕尺寸、凹痕深度、凹痕倾角和凹痕位置等主要参数的影响。(3)具有双层底和双层舷侧的大开口船体梁可以看做是由多个箱型梁组合而成。箱型梁在扭转载荷作用下发生失效破坏的过程中,同时承受着纯扭矩的作用和翘曲应力引起的翘曲弯矩的共同作用。本文通过建立简化箱型梁模型的方法,分析了船体箱型梁结构在扭转载荷作用下的极限破坏特性,研究了横向构件包括强横框、横舱壁对船体结构抵抗扭转载荷时所起到的作用。通过改变箱型梁加强筋的腹板高度和厚度,分析了加强筋对船体简化箱型梁扭转极限强度的影响。(4)对含带倾角裂纹的简化箱型梁在扭转载荷作用下的剩余极限强度进行了研究。通过非线性有限元法分析了裂纹尺寸和裂纹倾角两种重要参数对闭口箱型梁扭转屈曲破坏行为的影响。基于有限元计算的数值结果,通过曲线拟合的方法构造出了含带倾角裂纹的箱型梁剩余扭转极限强度的简化预测公式。(5)基于IACS共同规范,设计了一种含加筋的简化大开口箱型梁模型用来研究裂纹对大开口箱型梁扭转极限强度的影响。通过屈曲模态的形式对比分析了不同形式初始缺陷对大开口箱型梁扭转极限强度的影响。通过改变裂纹的位置和尺寸等参数,分析了单边裂纹和双边裂纹对大开口加筋箱型梁扭转破坏失效行为的影响。通过改变加筋的数量和加筋腹板厚度等参数,分析了加强筋对含裂纹大开口箱型梁扭转极限强度的影响。本文的创新点主要集中在以下几个方面:(1)基于非线性有限元结果,考虑不同材料屈服强度和板厚的影响,提出了单向受压加筋板极限强度修正的简化预测公式,把极限强度的预测结果误差由15%缩小到5%以内。分析了加强筋与带板之间的相对刚度与加筋板的失效模式之间的关系,给出了加筋板中加强筋与带板之间的相对刚度表达式。(2)通过归纳凹痕损伤变形函数形式,考虑了凹痕引起的加强筋侧向变形,给出了加筋板的凹痕损伤函数形式。通过分析凹痕尺寸、凹痕深度和凹痕倾角等参数的影响,提出了凹痕参数与加筋板极限强度的函数关系式。(3)对箱型梁在扭转载荷作用下的非线性屈曲大变形进行了分析,对箱型梁扭转破坏的失效机理进行了深入研究。通过能量法给出了考虑横舱壁影响的箱型梁等效扭转刚度表达式。对大开口箱型梁的扭转破坏机理进行了分析,发现大开口箱型梁扭转剪切大变形主要发生在舷侧板架区域。定性分析了加强筋和横框架对箱型梁抵抗扭转大变形过程中所起的作用,给出了横框架等效为舱壁的临界高度表达式。(4)通过分别考虑裂纹在船体简化箱型梁船底板和舷侧板不同位置时对箱型梁极限强度的影响,提出了有效剩余断面的概念。通过考虑预置裂纹与完整箱型梁扭转失效区域面积之间的关系,提出了失效区域损伤的概念。基于有效剩余断面和失效区域损伤的概念,结合净截面屈服理论,提出了单边裂纹和双边裂纹大开口箱型梁扭转剩余极限强度的预测公式。通过与有限元结果和10000TEU集装箱船分析结果对比验证了预测公式的有效性及在工程中的适用性。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.43
【部分图文】：

船舶结构,裂纹,形式,裂纹损伤

c 甲板纵桁裂纹 d 底板加强筋排水孔裂纹图 1 1 船舶结构中常见的裂纹形式Fig. 1 1 Typical cracking forms in ship structures传统的设计方案都是假定结构为一个理想的均匀的连续体，不考虑裂纹损伤结构连续性破坏的影响。常规的强度理论只是把结构可能存在的各种缺陷因通过安全系数的形式来考虑。但是，随着船舶结构的大型化趋势和高强度钢及考虑船舶建造的轻量化要求和经济效应，船体结构的相对柔度越来越大。致了实际工程中的船体结构更容易因为裂纹损伤而发生屈曲失效或脆性断此时，仅仅通过简单引入安全系数的形式考虑裂纹等的影响已经不能充分的构安全性进行准确评估。对于老龄船舶而言，更需要对含裂纹的船体结构的进行深入的评估探讨。目前，裂纹损伤研究工作主要由两部分组成：一种是基于断裂力学的相关理论。通过断裂参数分析，其中包括应力强度因分、裂纹尖端张开位移 COD、区域弹塑性应变能和裂纹尖端塑性区形状等，尖端的应力奇异性，进而给出含裂纹构件的临界断裂应力公式，再依据相应

凹痕,船体结构

损伤可能发生在两个船舶之间、船舶与海洋平台之间、船舶与码头之间，以及船舶与海冰之间相互作用，如图1 2所示。一般情况下，碰撞过程中船体结构的主要影响区域为舷侧板架和船艏位置。对于不同的船体而言，碰撞损伤的位置和形状各不相同，依赖于实际操作条件及撞击物的形状。重物坠落所产生的凹痕则主要发生在船舶甲板或平台上，由于货物、集装箱或其他装卸设备倒塌等造成的。a 散货船与集装箱船碰撞凹痕 b 散货船破冰凹痕图 1 2 船体结构中常见的凹痕损伤Fig. 1 2 The common dent damage appeared in hull structures近年来不少学者对船体结构进行了碰撞试验，分析了板和加筋板等局部结构在受

示意图,加筋板,示意图,加筋

上海交通大学博士学位论文第二章单向受压加筋板极限强度预测公式研究板单元选用 16 个网格，加筋沿腹板高度选用 6 个网格，从而得到准确的计算结果。表 2-1加筋板的几何参数Table 2-1 Geometry dimentions of the stiffened panels板格编号加筋类型 a b m B twhwtfhft1 Tee 3000 500 14 7500 14 198.6 10 61.2 21.72 Flat 3000 500 14 7500 14 260.2 12.4 — —

【参考文献】