基于Smith法的船体极限强度评估方法研究

摘要

在评估船体极限强度的方法中，Smith法通过荷载增量迭代，结合离散后加筋板单元的力学性能，得到船体梁的弯矩-转角曲线，曲线峰值点所对应的弯矩为船体梁的极限弯矩。该方法思路清晰，可以考虑剖面构件的逐步破坏和结构的后屈曲特性，具有较好的精度且应用方便，目前已成为HCSR规范极限弯矩计算的推荐方法。Smith法的计算精度取决于单元应力-应变关系和剖面中和轴计算的精度。HCSR规范给出了典型失效模式下单元的应力-应变关系计算方法，但随着造船行业高强度钢的广泛应用，规范中单元应力-应变关系对于高强度钢单元是否适用，并未明确;此外，HCSR规范中仅给出了针对完整船对称剖面的中和轴确定方法-力平衡准则，该方法仅能考虑中和轴的上下平动。显然，对于存在中和轴偏转的非对称剖面，尤其是破损船舶，是不适用的。因此，有必要对基于HCSR规范的传统Smith方法进行改进研究，重点是高强度钢单元应力-应变关系的适用性和非对称剖面中和轴定位方法等。综上所述，本文内容主要包括以下几个方面:
　　1)Smith方法程序的开发。介绍Smith方法的基本原理、基本假设、计算流程，开发了基于HCSR规范的传统Smith方法程序。
　　2)高强度钢单元的应力-应变关系的研究。针对高强度钢材料曲线的特殊性，基于非线性有限元法研究了不同材料模型下应力-应变关系的差异，并与规范结果对比，验证规范公式是否适用于高强度钢。
　　3)中和轴定位方法的研究。总结中和轴位置的计算方法，考虑了中和轴的平移和转动，引入力平衡准则和力矢量平衡准则。采用多目标粒子群优化算法，将中和轴的位移和转角设为优化变量，将力平衡准则和力矢量平衡准则设为优化目标，通过粒子的迭代寻优确定中和轴的位置，有效地提升了搜索的精度和智能度。
　　4)双弯矩联合作用下船体极限强度的研究。利用改进的Smith法程序计算某船在不同角度下的极限弯矩，得到垂向极限弯矩和水平极限弯矩样本点，绘制出船体极限弯矩包络线，并拟合出显式的极限状态方程，最后预报出船舶的危险载荷，完成了双弯矩联合作用下船体极限强度的评估。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1本文背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1极限承载能力研究现状

1．2．2单元应力-应变关系的研究现状

1．2．3剖面中和轴位置的研究现状

1．3多目标粒子群优化方法

1．4船舶极限状态方程

1．5本文主要内容

第2章船体极限强度Smith评估方法

2．1基本假设

2．2结构单元划分原则

2．3单元失效模式及应力-应变关系

2．3．1弹塑性破坏

2．3．2梁柱屈曲

2．3．3扭转屈曲

2．3．4腹板屈曲-折边型材构成的加强筋

2．3．5腹板屈曲-扁钢构成的加强筋

2．3．6板格屈曲

2．4计算流程与程序实现

2．5算例分析

2．5．1计算模型

2．5．2结果分析

2．6本章小结

第3章高强度钢加筋板单元的应力-应变关系

3．1概述

3．2非线性有限元方法的基本原理

3．2．1非线性概述

3．2．2弧长控制法

3．3加筋板单元的基础参数分析

3．3．1有限元网格的收敛性分析

3．3．2模型范围及边界条件的影响

3．3．3初始缺陷的影响

3．4加筋板单元的材料影响分析

3．4．1材料模型影响分析

3．4．2应力-应变关系结果对比分析

3．4．3计及真实应力-应变关系的Smith法

3．5本章小结

第4章基于多目标粒子群优化的Smith法

4．1概述

4．2船体非对称剖面概念

4．2．1非对称剖面产生的原因

4．2．2非对称剖面中和轴移动规律

4．2．3非对称剖面中和轴位置的确定准则

4．3中和轴位置的粒子群搜索

4．3．1多目标粒子群优化方法的基本原理

4．3．2 Pareto最优前沿的构造

4．3．2群体最优的选取

4．3．4中和轴位置搜索的程序实现

4．4．1改进Smith方法的流程

4．4．2算例分析

4．5本章小结

第5章双弯矩联合作用下的船体极限强度研究

5．1概述

5．2破损船舶的剩余承载能力

5．2．1破损位置及其定义

5．2．2基于Smith法的剩余承载能力计算

5．2．3基于NFEM法的剩余承载能力计算

5．2．4结果对比

5．3船体极限状态方程

5．4极限强度确定性评估

5．5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