高速三体船极限强度研究

摘要

高速三体船型作为一种高性能新型船型,与其他船型相比,拥有良好的横稳性、耐波性和快速性,三体船有着很广阔的应用前景,适合作为科学考察船、海上旅游船、海上交通、勘探和救援船等。高速三体船结构复杂,其极限承载能力受到了国内外船舶力学工作者的关注。目前研究船体极限强度的方法通常有直接计算法、理想结构单元法、逐步破坏法、非线性有限元法和模型试验法。极限强度包含了材料非线性与几何非线性,数值仿真方法很难完全真实地预报极限承载力,故有必要对三体船结构进行试验研究,模型试验法能够较真实地得出极限承载能力。高速三体船拥有片体与连接桥结构,相比单体船和双体船有更多的复杂运动和结构响应,其总体极限承载能力也一直非常受人关注。
　　根据目前世界上仅有的三体船规范—英国劳氏三体船规范(Rules For The Classification Of Trimaran2006),三体船的设计外载荷包括了总纵静水弯矩、波浪弯矩、横向中垂、横向中拱弯矩、横向扭转力矩、纵向扭转力矩和水平弯矩等。因此在这些外载荷作用下的每种工况都有可能导致高速三体船结构破坏而失效,高速三体船的总体极限强度的研究甚为必要。本文使用结构模型试验与非线性有限元数值方法相结合,重点研究某高速三体船的总纵极限强度,并充分考虑其总体极限工况下的总体极限强度研究。结构模型试验方法用来研究某高速三体船结构的总纵极限强度。运用相似理论并结合有限元计算方法指导极限强度试验模型的设计。试验采用三点弯曲的加载方式,利用多点液压加载系统,模拟实船的波浪弯矩峰值。通过模型试验测试了三体船结构模型的极限承载能力,得到了模型的加载力-应力、加载力-位移曲线及三体船总纵极限强度的破坏模式。然后采用非线性有限元数值计算方法,考虑材料非线性、屈曲和追随力,分别对模型和实船的总纵极限承载力进行计算,最后与试验结果进行对比进行比较分析,研究模型与实船极限强度的对应关系,并预报实船的总纵极限承载能力。除此以外本文还对高速三体船的横向弯极限强度、横扭极限强度和纵扭极限强度进行计算,总体把握三体船的总体极限强度。对其典型构件进行局部加厚并计算其在各工况下的极限承载能力,研究其典型构件对其总体极限强度的影响程度,分析高速三体船在各个极限工况下的破坏模式和规律。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 立题背景和意义

1.2 高速三体船的研究概况和发展趋势

1.3 船舶结构极限强度的问题概述

1.4 船体极限强度研究方法概述

1.4.1 直接计算法

1.4.2 理想结构单元法

1.4.3 逐步破坏法

1.4.4 非线性有限元法

1.4.5 实船试验方法

1.4.6 结构模型试验

1.5 本文的研究内容和拟解决的关键问题

第2章 非线性有限元法原理

2.1 引言

2.2 非线性代数方程组数值迭代方法

2.2.1 概述

2.2.2 Newton-Raphson迭代法

2.2.3 修正Newton-Raphson迭代法

2.2.4 收敛标准

2.3 材料非线性有限元法

2.3.1 概述

2.3.2 材料非线性有限元的求解方法

2.4 几何非线性有限元法

2.4.1 概述

2.4.2 几何非线性有限元的求解方法

2.5 失稳路径的弧长法

2.5.1 概述

2.5.2 Crisfield弧长法

第3章 高速三体船模型结构极限强度试验

3.1 结构模型设计理论概述

3.1.1 几何相似

3.1.2 运动相似

3.1.3 动力相似

3.2 高速三体船模型结构的相似理论分析

3.2.1 模型设计的相似分析

3.2.2 模型与实船的换算

3.3 结构模型设计

3.3.1 相似比的确定

3.3.2 模型板厚与骨材的处理

3.3.3 模型钢材选取

3.3.4 模型结构设计

3.3.5 结构模型相似性检验

3.4 船体结构模型加工

3.4.1 加工注意事项

3.4.2 模型加工流程

3.5 模型测点布置

3.6 模型加载与测试设备

3.7 试验结果

3.7.1 极限承载力

3.7.2 测点应力的处理

3.7.3 模型位移变形测量

3.8 本章小结

第4章 模型与实船总纵极限强度计算及分析

4.1 引言

4.2 高速三体船总纵极限强度的计算原理

4.2.1 几何非线性问题的计算原理

4.2.2 材料非线性在非线性有限元法中的应用

4.3 模型船总纵极限强度计算

4.3.1 概述

4.3.2 边界条件

4.3.3 模型船总纵极限强度计算结果

4.4 实船总纵极限强度计算

4.4.1 概述

4.4.2 边界条件

4.4.3 实船总纵极限强度计算结果

4.5 高速三体船总纵极限强度分析方法

4.6 本章小结

第5章 高速三体船总体极限强度计算及分析

5.1 引言

5.2 高速三体船总体极限强度受力条件分析

5.2.1 概述

5.2.2 总纵极限强度工况

5.2.3 横向弯曲极限工况

5.2.4 横向扭转极限工况

5.2.5 纵向扭转极限工况

5.3 高速三体船横向弯曲极限强度计算与分析

5.3.1 有限元模型概述

5.3.2 边界条件

5.3.3 非线性有限元计算结果

5.4 高速三体船横向扭转极限强度计算与分析

5.4.1 有限元模型概述

5.4.2 边界条件

5.4.3 非线性有限元计算结果

5.5 高速三体船纵向扭转极限强度计算及分析

5.5.1 有限元模型概述

5.5.2 边界条件

5.5.3 非线性有限元计算结果

5.6 提高高速三体船总体极限强度的分析

5.6.1 概述

5.6.2 提高高速三体船横向弯曲极限强度分析

5.6.3 提高高速三体船横向扭转极限强度分析

5.6.4 提高高速三体船纵向扭转极限强度分析

5.6.5 提高高速三体船总体极限强度分析

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文的研究工作总结

6.2 论文的创新点

6.3 进一步的研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目