基于非线性有限元方法的箱梁极限强度分析

摘要

船舶极限强度问题是一个非常重要的课题,很多评估方法已经应用到对这一问题的研究中。在这些评估方法中,由于基于先进的商业软件的开发使得有限元方法最可取的。尽管在研究极限强度时有限元方法有一些费时,但是FEM可以准确评估极限强度。然而,正确使用有限元软件,尤其是应用于极限强度问题并不是一项容易的任务。本文的目的就是基于Ansys软件,采用非线性有限元方法,建立一个评估箱梁极限强度的数据库。
　　 本文首先介绍了对极限强度研究的历史以及有限元的应用,介绍了极限强度的几种分析方法,并且比较了史密斯方法,有限元法和理想结构单元法。
　　 对于不同类型的结构的设计,如各种船舶,海上平台,以路基结构以及航空航天结构,人们己意识到,极限临界状态(或极限强度)远远超过了允许工作应力。对于在极限状态下的设计和结构强度等评估,首要任务是确定导致极限临界状态产生的外力边界。
　　 评估的方法分为:直接极限强度分析方法和逐步崩溃分裂,也可分为:经验和分析方法;数值方法;实验方法。
　　 在众多的方法中,有限元法(FEM)被普遍认为是最重要的工程结构分析领域中的重大技术突破。电脑技术的飞速发展,使有限元方法成为解决工程方面问题的最热门技术之一。这样,在分析一种像船体结构这样的复杂问题时,有限元方法是唯一的,可以取得令人满意的结果的工具。
　　 Ansys的是一种基于有限元建模套件求解多种力学问题的商业软件之一。还有许多软件,如Abaqus,ADINA软件,LS-DYNA均应用于这样的领域。所研究的力学问题包括:静态/动态结构分析(线性和非线性),传热和流体的问题,以及声学和电磁问题。
　　 在一般情况下,对于任何问题的有限元分析可分为以下三个阶段。
　　 预处理:定义问题。在预处理的主要步骤如下:
　　 -定义关键点,线,面,体积
　　 -定义元素类型和材料,几何性质
　　 -网线/面/体积的要求
　　 解决方案:分配载荷,约束和解决。在这里我们将指定负载(点或压力),约束(平移和旋转),最后得到结果。
　　 后期处理:进一步处理结果。在这个阶段你可能会希望看到:
　　 -节点位移名单
　　 -单元的受力和力矩
　　 -挠度图
　　 -应力等高线图
　　 对于评估的极限强度,非线性分析给出的结果非常接近使用非线性材料和几何分析的结果。
　　 船舶与近海结构由加筋板和支撑单元构成。加筋板和框架之间的平面板是最根本的结构组成部分,受到由于水和货物的直接作用而引起的侧向压力作用,以及通过在系统级结构反应引起的面内压力。
　　 估计加筋板极限强度一个简化方法,往往是要准确评估后屈曲板的有效宽度。
　　 对于一个完整的船只,水平中轴的弯矩的主要截面压力。由于应力很高,这一力矩会形成于甲板和船底结构中。这些区域可能就会由于遭受屈曲或塑料崩溃而失效。
　　 对于船体梁极限强度的研究十分重要,尤其在海军舰艇中的情况引起了特别关注。不仅在完整状态,在意外碰撞后的极限强度,而且在遭武器破坏后的极限强度,都必须予以考虑到。
　　 对于实际的一部分,它分为三个电源部分:
　　 -对的单独的板的研究,包括在有无联合负载的情况下的屈曲(单向压缩,双向压缩,组合负载)和剪力的研究。
　　 -加筋板的极限强度,包括在有无联合负载的情况下的屈曲的评估。
　　 在这两个部分以10万吨级双壳油船结构的外底加筋板为例,侧面压力为p=0.16MPa,采取极端(设计)的条件。
　　 -最后研究Nishihara舱箱体的一个主节点在有效力矩的负载下的极限弯矩。
　　 本文忽略了所有焊接残余应力,只考虑经典结构力学理论下的只有初步变形后的研究。
　　 在文章最后以附录的形式给出了对称边界以及线性负载条件下的板极限强度的评估方法。