船舶骨材开槽孔孔边应力集中机理及工艺力学特性研究

摘要

我国虽然已经成为世界第一造船大国，但在科技水平和核心竞争力方面与造船强国还有不小的差距。这种大而不强的局面，对船舶行业的长远发展十分不利。因此，依据船厂在实际建造过程中所遇到的实际问题，开展深入、系统的研究至关重要。传统的船舶骨材开槽孔区域结构复杂、数量多，所耗工时较大，需要新工艺的提出及应用。与此同时，随着船舶超大型化的发展趋势，骨材开槽孔区域的结构安全性也越来越受到人们的重视。因此，开展船舶骨材开槽孔孔边应力集中机理及工艺力学特性的研究，对于孔型优化及相关结构设计具有重要意义。
　　本文归纳整理了无限大开孔板孔边应力集中问题的理论求解方法，基于直接计算方法对船体结构骨材开槽孔应力分布进行了分析，在此基础上，设计开展了骨材开槽孔局部模型试验研究，分析了不同加强方案及不同开孔形式在压缩和弯曲载荷作用下的孔边应力分布情况，并基于数值仿真软件 ABAQUS进行了相关仿真分析，讨论了不同扶强材设置方案以及新式开孔形式的安全性以及工艺性，针对横剖面不同区域的受力特点，给出了骨材开槽孔布置建议。主要研究内容和结论如下：
　　（1）归纳整理了无限大板开圆孔和椭圆孔在单向拉伸、剪切以及弯曲载荷下孔边应力分布的理论计算方法，给出了无限大板非圆孔的求解过程，利用Maple软件建立了该问题的求解程序，并通过与文献计算结果比较验证本程序的可靠性。
　　（2）以175,000DWT散货船为研究对象，利用ABAQUS有限元软件，根据《CCS钢制海船入级规范》以及CCS《散货船结构直接计算分析指南》确定舱段模型、载荷边界及典型工况，分析了散货船舱段结构在典型工况下横剖面不同位置的骨材开槽孔周围的应力集中情况及分布规律，以此为基础，通过改变开孔形式，比较了孔型及加强方式对孔边应力集中的影响情况。
　　（3）开展了针对船体双层底结构的力学性能模型试验，设计了有无补板、有无扶强材以及不同孔型的模型结构，分别在压载荷以及弯曲载荷形式下的孔边应力分布进行了测量，研究了不同加强方式以及孔型结构对孔边应力分布的影响；同时验证、完善了有限元数值仿真分析技术。
　　（4）以文献中骨材开槽孔区域实尺度局部模型试验为基础，基于数值仿真软件ABAQUS开展了相关仿真分析，重点针对不同扶强材设置方案以及新式开孔设计进行了探究，对比了各形式的安全性以及工艺性，并针对横剖面不同区域的受力特点，给出了不同骨材开槽孔设置建议。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、方法和创新点

第二章 开孔板应力集中问题理论分析

2.1 引言

2.2 无限大开孔板孔边应力集中问题解析方法

2.3无限大板开非圆孔边应力计算方法

2.4 本章小结

第三章 基于直接计算方法的船体结构骨材开槽孔孔边应力分析

3.1 引言

3.2 散货船三舱段结构有限元模型

3.3 计算结果及分析

3.4 改变孔型对应力分布的影响

3.5 本章小结

第四章 典型骨材开槽孔孔边应力分布试验研究

4.1 引言

4.2 试验大纲

4.3 模型试验结果及分析

4.4 数值仿真分析

4.5 本章小结

第五章 船体结构新式骨材开槽孔设计

5.1 引言

5.2 船舶骨材开槽孔设计方法研究

5.3横剖面典型区域骨材开槽孔形式设计选型探究

5.4 本章小结

结论

1 本文主要研究工作及结论

2 进一步的研究工作及展望

参考文献

附录 针对无限大板开非圆孔口应力分布问题的部分MAPLE程序

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

致谢