内河散货船的结构系统可靠性分析

摘要

近年来，由于船舶与海洋系统的日趋复杂化、工作范围的不断扩大化以及对船舶系统整体构架和全寿命能力的更高要求，传统的计算方法并不能很好地解决相关问题。使用可靠性理论分析船舶结构，特别是大型船舶结构，具有重要的意义。 结构系统的可靠性分析的目的是找到结构的主要失效模式，并求出结构系统的失效概率，从而给出更符合实际船舶结构的强度分析结果。本文针对一内河散货船，进行结构系统的可靠性分析，具体内容如下: (1)通过对AutoCAD进行了二次开发，以及ANSYS的二次开发，能够快速地将船舶CAD图纸建立为有限元模型。 (2)针对船体的实际情况，本文建立了结构的空间梁板结构的有限元模型，并采用等剪应力矩形板单元与等应力三角形单元模拟船体中的板单元，用均匀加强筋单元模拟船体中的加强筋，用空间杂交梁单元模拟船体中的梁单元;并将外荷载等效作用于节点上，利用ANSYS软件对自编FORTRAN程序进行了验证，证明了理论和程序的正确性。 (3)以船体板单元厚度、梁单元截面面积、外荷载值、材料的强度值为随机变量，分别建立了板单元、梁单元的极限状态函数方程，并运用改进的一次二阶矩方法求取元件的可靠性指标，并采用Monte-Carlo方法验证了方法的有效性和正确性。 (4)基于分支限界法搜寻了主要失效模式，并运用复相关等效平面法求取主要失效模式的失效概率，基于PNET法筛选与计算了结构系统的失效概率并验证了结果的可靠性;提出了结构系统失效是源于局部多个元件连续失效导致的，确定了结构的薄弱部位，为船舶结构可靠性设计提供了有效的技术支撑。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文的研究背景及意义

1．2结构可靠性方法研究概述

1．3结构系统可靠性研究概述

1．4船舶结构可靠性研究概述

1．5论文的主要研究内容

第2章由AUTOCAD图纸自动生成有限元模型

2．1概述

2．2 AUTOCAD开发平台及VBA开发方式介绍

2．2．1 AUTOCAD简介

2．2．2 VBA二次开发方式

2．3 ANSYS开发平台及APDL开发语言介绍

2．3．1 ANSYS简介

2．3．2 APDL简介

2．4 AUTOCAD二次开发具体流程

2．5 ANSYS二次开发具体流程

2．5．1网格划分

2．5．2 ANSYS二次开发流程图及步骤

2．6二次开发结果说明

2．7本章小结

第3章货船结构的有限元分析

3．1有限元法基本理论

3．1．1有限元法的基本概念

3．1．2有限元法基本求解步骤

3．2船舶结构有限元单元的选取

3．2．1杂交梁元

3．2．2空间梁元i

3．2．3等剪应力的矩形元(CSSR元)

3．2．4均匀加强筋矩形元(USR元)

3．2．5加筋板格元(SP元)

3．2．6等应力三角形元(CST元)

3．2．7三角形加筋板元

3．3总体刚度矩阵的建立与求解

3．3．1总体刚度矩阵

3．3．2存储优化

3．4船舶结构随机有限元理论

3．4．1概述

3．4．2随机有限元方程

3．4．3位移对随机变量的导数

3．5船舶的等效荷载

3．5．1船舶荷载工况

3．5．2等效节点力

3．5．3船舶分布力分配至各节点上

3．6有限元结果及对比

3．7本章小结

第4章货船结构元件可靠性分析

4．1结构元件的极限状态函数

4．2板元极限状态函数

4．2．1三角形板元极限状态函数

4．2．2矩形板元极限状态函数

4．3梁元极限状态函数

4．3．1梁元端面的塑性条件

4．3．2梁对Z轴左截面(即2q-1号截面)失效

4．3．3梁对Z轴右截面(即2q号截面)失效

4．4元件的可靠性指标

4．4．1可靠性指标定义及几何意义

4．4．2可靠性指标求解方法

4．4．3算例

4．5随机有限元法求解功能函数对随机向量的导数

4．5．1板元极限状态函数对随机变量的导数

4．5．2梁左端面失效时极限状态函数对随机变量的导数

4．5．3梁右端面失效时极限状态函数对随机变量的导数

4．6安全余量的形成

4．6．1板元安全余量的形成

4．6．2梁元安全余量的形成

4．7结果对比分析

4．8本章小结

第5章货船结构系统可靠性分析

5．1结构系统可靠性基本分析过程

5．2船舶结构系统失效准则

5．3复相关等效平面法计算并联失效路径可靠度

5．3．1等效平面法基本原理

5．3．2复相关等效平面法

5．4主要失效模式的搜索方法

5．5结构系统可靠性的计算

5．5．1主要失效模式间的相关性计算

5．5．2Φ2(-βi,-βj;ρij)的计算

5．6结果分析及验证

5．7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢