破损船体总纵弯曲应力分布及计算

摘要

船体破损属于危险状态,一方面由于浮力的损失会造成船体的浮态和载荷分布发生显著的变化;另一方面船体结构的承载能力会削弱。船舶破损后快速准确地进行强度校核对应急和补救等工作有着指导意义,才能尽可能地减少人员伤亡和经济损失。等值梁法基于线弹性理论,将总纵弯曲应力在横剖面高度方向线性分布,是以剖面等高处的平均应力的水平来评估船体强度。
　　在计算完整船体总纵强度时等值梁法便捷、准确,目前大多数船级社都将其引入规范,基于等值梁法的总纵强度程序应用非常普遍。但对于破损船体而言破口区域构件承载能力下降,属于危险区域。破口的应力集中问题,破口的塑性问题,以及破口的撕裂等问题等值梁法均不能解决。以等值梁法计算出的剖面等高处的平均应力来评估破损船体强度而忽略破口区域的强度问题,处理方式较粗略存在着不合理性。有限元方法是研究破口应力集中、结构非线性问题的有效手段。
　　破口应力集中影响范围是局部,对远离破口的区域影响不大,因此可以将用等值梁法计算的在相同载荷下完整剖面船底板应力作为基准应力,并结合有限元法来研究船底破口处的应力集中问题。
　　本文的研究内容和成果如下:1)研究了矩形、带尖角矩形、圆形三种典型破口在船底加筋板格中的网格的划分和应力集中观测点的位置的选取,为研究船体加筋板破损的应力集中网格划分提供参考。2)船底加筋板破口同平板破口不同,除了受破口自身的形状和大小的影响外还受到骨材的影响,采用“穿越法”将破口在船底加筋板纵向、横向移动,来研究破口应力与骨材距离的变化规律。利用该规律可以求得破口在船底应力最大、最小值,判断破口最危险的情况。3)利用ANSYS分析了三种典型破口在船体板格沿纵向、横向扩展时,应力集中系数的变化规律,将破口的应力集中系数分解为平板应力集中系数和骨材作用系数后,矩形和矩形尖角破口的应力集中系数各组曲线差值随X轴逐渐增加近似等差数列的方式。根据这一规律提出一种简单的算法,可由少数几个己知破口的应力集中系数推算未知破口应力集中系数,并拟合了计算公式。算例表明该算法是可行的且适合编程。在改纵骨、肋板间距的情况下同样存在上述规律,说明上述规律对加筋板格具有一般的通用性。4)通过增加载荷使破口逐步进入非弹性阶段,利用ANSYS对破口应力集中进行非线性分析,将非弹性阶段的应力集中系数同线性时的应力集中系数作比较。通过对多组不同形式、尺寸、初始应变的破口进行计算,提出了对弹性阶段的应力集中系数的修正方法,并拟合修正了修正系数的公式。5)提出了一种采用等值梁法求基准应力,结合破口的应力集中系数和破口应力分布规律来计算破损船体总纵强度的方法,对等值梁的计算结果进行修正,算例表明该方法具有较好的精度且适合编程。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 研究现状分析

1.2.1 船舶破损模式研究

1.2.2 船体应力集中的研究

1.2.3 破损船体总纵强度研究

1.3 本文的主要工作

第2章 船底破口应力分布规律

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 总纵强度计算模型

2.1.2 破损后失效模式区域

2.2 网格的划分

2.2.1 矩形破口的网格划分

2.2.2.带尖角的矩形破口的网格划分

2.2.3 圆形开孔的应力集中分析

2.2.4 破口在骨材处的网格划分

2.3 破口应力分布规律

2.3.1 横向构件对破口应力的影响

2.3.2 纵向构件对破口应力的影响

2.3.3 破口应力衰减

2.4 本章小结

第3章 破损舱段计算和结果分析

3.1 船体破口应力集中系数

3.1.1 基准力的选取

3.1.2 平板应力集中系数和骨材作用系数

3.2 破口应力集中系数计算结果分析

3.2.1 矩形破口的应力集中系数

3.2.2 尖角矩形破口的应力集中系数

3.2.3 圆形破口应力集中系数的分布

3.2.4 改变纵骨、肋板间距后破口的应力集中系数

3.3 三种典型破口应力集中系数的分布规律

3.4 本章小结

第4章 考虑材料非线性的破口计算

4.1 考虑材料非线性对破口应力集中系数的修正

4.2 破口区域的应力应变分析

4.3 本章小结

第5章 基于等值梁方法的总纵强度计算程序

5.1 对等值梁法程序的修正

5.2 算例

5.2.1 等值梁程序计算值

5.2.2 应力集中系数和破口最大应力的计算

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 论文主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文