简谐载荷作用下船舶结构的动力稳定性研究

摘要

船舶向高速化和轻型化发展的过程中，高强度钢被普遍采用，导致结构的刚度降低，稳定性下降。因船舶结构稳定性丧失导致的海损事故越来越多，新的船舶强度标准中规定大量的结构必须进行屈曲评估。船舶在海上航行时，受到的环境载荷本质上是动载荷，因此研究船舶结构在静载下的屈曲和动载下的动力稳定性问题有非常重要的现实意义。
　　本文研究了船舶各大船级社相关标准和协调共同结构规范中针对屈曲强度的评估方法和评估标准，比较了不同规范关于屈曲要求的异同性，详细介绍了主要强力构件（纵桁、纵骨和板）的屈曲评估步骤，并根据船体屈曲失效的主要原因从改进设计、建造质量和腐蚀控制三个方面给出了屈曲失效的具体控制方法。
　　本文以船舶与海洋结构物中典型的杆系结构和加筋板结构为研究对象，根据有限元分析相关理论，通过采用Fortran高级编程语言编制相应的有限元程序对结构进行模态、静力稳定性和动力稳定性分析，讨论结构参数对弹性范围内的欧拉屈曲载荷的影响及周期载荷作用下的动力稳定性的影响。基于Timoshenko梁理论和Mindlin板理论，分别推导了无剪切闭锁现象的Timoshenko梁单元和用以模拟平壳单元的四边形四结点板加膜单元有限元列式，建立了结构静、动力稳定性问题分析的有限元模型。具体分析了横梁、纵骨和肋骨的尺寸及其数目对杆系结构动力稳定性的影响，并与其静力稳定性进行了对比，详细讨论了加强筋的截面参数和加筋方式对加筋板结构动力稳定性的影响。针对算例分析给出改善结构稳定性的建议，为船舶结构稳定性问题的改善进行了有益的探索。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 结构动力稳定性国内外研究现状

1．2．1 理论研究现状

1．2．2 实验研究现状

1．3 本文主要工作

2 船体结构屈曲研究

2．1 船舶加筋板的屈曲研究

2．2 船体结构屈曲强度评估-公式法

2．2．1 屈曲评估步骤

2．2．2 边界条件简化

2．2．3 屈曲评估方程

2．2．4 船体主要构件的屈曲评估

2．3 船体结构屈曲强度评估-规范研究

2．4 船体结构屈曲失效控制

2．5 本章小结

3 结构动力稳定性分析基础

3．1 动力稳定性分析基本理论

3．2 参数振动分析基本理论

3．2．1 参数振动下的稳定性

3．2．2 Mathieu-Hill方程的稳定性

3．2．3 动力不稳定区域的建立

3．2．4 阻尼对动力稳定性的影响

3．3 结构动力稳定性控制方程

3．4 本章小结

4 船舶杆系结构的静动力稳定性分析

4．1 Timoshenko梁单元有限元分析

4．1．1 基本方程的推导

4．1．2 单元矩阵的建立

4．1．3 算例验证

4．2 刚架结构主从自由度概念介绍

4．3 连续梁结构算例分析

4．3．1 等跨度连续梁的静动力稳定性

4．3．2 不等跨度连续梁的静动力稳定性

4．4 刚架结构算例分析

4．4．1 横梁和肋骨尺寸对刚架结构静动力稳定性的影响

4．4．2 刚架层数和跨数对刚架结构静动力稳定性的影响

4．5 甲板板架结构算例分析

4．5．1 横梁和纵骨数目对板架结构静动力稳定性的影响

4．5．2 横梁和纵骨惯性矩对板架结构静动力稳定性的影响

4．6 本章小结

5 船舶加筋结构的动力稳定性分析

5．1 四边形四结点板加膜单元有限元列式

5．1．1 基本方程的推导

5．1．2 单元矩阵的建立

5．1．3 算例验证

5．2 偏心加筋结构的有限元处理

5．3 加筋结构算例分析

5．3．1 加强筋截面参数对结构动力稳定性的影响

5．3．2 加筋数目对结构动力稳定性的影响

5．3．3 加筋方向对结构动力稳定性的影响

5．3．4 加筋位置对结构动力稳定性的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢