一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法

摘要

本发明提供了一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，属于船舶结构工程的技术领域。一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法包括以下步骤，步骤一，进行试验模型的结构简化设计；步骤二，进行试验模型的相似设计；步骤三，进行横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构的设计；本发明提出了一种小水线面双体船满足弯扭联合极限强度测试的试验模型，同时，提供了横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构，实现了载荷的有效施加，为小水线面双体船船型在弯扭联合作用下的结构变形及崩溃特征研究提供依据，指导船舶结构的安全性设计，利于船舶行业的发展。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶结构工程的技术领域，具体是涉及一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法。

背景技术

小水线面双体船为短宽船型，呈双片体、宽甲板结构设置，由于其船体结构形式、波浪水动力响应及船舶受力状态均较常规单体船复杂，因此其结构强度问题与单体船也有所不同。并且对小水线面双体船来说，其片体形状窄长、侧向面积相对较大，因此横向波浪诱导载荷(横向弯矩、水平剪力)较大；另外，小水线面双体船在斜浪中一侧片体出水时，会引起较大的纵向扭矩，因此小水线面双体船会受到横弯和扭转载荷的共同作用。因此需要准确预报小水线面双体船在弯扭联合作用下的极限强度，才能保证船舶和船上人员的安全性。

目前，通过模型崩溃试验可再现结构在特定载荷作用下的崩溃过程，是揭示船体结构崩溃物理本质最根本最有效的手段，因此，为改善和优化小水线面双体船的结构设计提供有力的依据，通常需要对这种结构复杂、受载状态特殊的船舶结构系统进行模型崩溃试验。但是，由于小水线面双体船为新船型，世界范围内建造数量不多，其极限强度试验开展的也极少，因此，能实现横向弯曲载荷和纵向扭转载荷同时加载的试验模型还不存在，给此船型在弯扭联合作用下的结构变形及崩溃特征研究造成了极大的限制，不利于船舶行业的发展。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现旨在提供一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，先提出试验模型的结构简化设计方案，然后确定试验模型的相似设计方法，使得试验模型的逐次崩溃特性保持和实船基本一致，最后设计横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构，实现对载荷的有效施加，从而得到实现横向弯曲载荷和纵向扭转载荷同时加载的试验模型，从而满足本船型在弯扭联合作用下的结构变形及崩溃特征研究需求，指导提升船舶结构的安全性，利于船舶行业的发展。

具体技术方案如下：

一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，包括以下几个步骤：

步骤一，进行试验模型的结构简化设计；

根据小水线面双体船弯扭联合载荷作用下的结构承载变形特性，针对试验模型不同部位提出相应的结构简化设计方案。

步骤二，进行试验模型的相似设计；

确定在试验模型弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则和扭转相似准则，选择合适的缩尺比完成试验模型结构基本设计，进而进行试验模型非线性范围内的结构设计，不断调整试验模型局部加强筋尺寸和间距，直至试验模型的逐次崩溃特性保持和实船基本一致；

步骤三，进行横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构设计；

分别针对横向弯曲载荷和纵向扭转载荷的作用效应，设计加载结构，实现载荷的有效施加。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，在试验模型的结构简化设计中，将上层建筑结构外形简化，甲板纵桁和强横梁采用扁钢或角钢，普通骨材构件采用扁钢，舷侧外板和纵舱壁上的球扁钢扶强材采用扁钢；试验模型的连接桥和舷台部位的外板与横框架结构与实船一致；试验模型的下潜体横截面形状简化为八边形。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，。试验模型弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则为

其中，

式中，I为断面惯性矩，t为板厚，L为除t以外的其它几何尺寸，且角标s、m分别代表实船与试验模型。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，试验模型弹性范围内结构设计时的扭转相似准则为

其中，

式中，t为板厚，L为除t以外的其它几何尺寸，I_t为自由扭转惯性矩，I_w为约束扭转惯性矩，且角标s、m分别代表实船与试验模型。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，缩尺比为几何相似比和厚度相似比。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，调整试验模型局部加强筋尺寸和间距需满足加筋板屈曲模式和破坏模式相似的前提。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，试验模型的下潜体的中部结构较其上的其他部位的结构更强，且下潜体的中部结构上加载横向弯曲载荷。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，试验模型的两舷侧前后端共设置有四个纵向扭转载荷加载结构，且其中呈对角的两个纵向扭转载荷加载结构上设置垂向支撑结构，另外两呈对角的纵向扭转载荷加载结构上设置有垂向向下载荷施加结构。

上述的一种小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，其中，四个纵向扭转载荷加载结构处均设置有横向滑轮。

上述技术方案的积极效果是：提出了一种小水线面双体船满足弯扭联合极限强度测试的试验模型，同时，提供了横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构，实现了载荷的有效施加，为小水线面双体船船型在弯扭联合作用下的结构变形及崩溃特征研究提供依据，指导船舶结构的安全性设计，利于船舶行业的发展。

附图说明

图1为一种小水线面双体船的横剖结构图；

图2为实船的上层建筑结构的结构图；

图3为本发明一较佳实施例的上层建筑结构的简化模型设计示意图；

图4为实船的连接桥和舷台位置的结构图；

图5为本发明一较佳实施例的连接桥和舷台位置的简化模型设计示意图；

图6为实船的下潜体的结构图；

图7为本发明一较佳实施例的下潜体的简化模型设计示意图；

图8为本发明一种小水线面双体船的试验模型的设计流程图；

图9为本发明一较佳实施例的横向弯曲载荷施加部位及结构加强区域示意图；

图10为本发明一较佳实施例的纵向扭转载荷加载结构的示意图。

附图中：1、上船体；11、主甲板；12、湿甲板；13、连接桥；14、舷台；2、下潜体；21、中部结构；3、上层建筑；4、支柱体；5、纵向扭转载荷加载结构；51、垂向支撑结构；52、垂向向下载荷施加结构。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1至附图10对本发明提供的技术方案作具体阐述，但以下内容不作为本发明的限定。

图1为一种小水线面双体船的横剖结构图；图8为本发明一种小水线面双体船的试验模型的设计流程图。如图1和图8所示，本实施例提供的小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法包括以下几个步骤：

步骤一，进行试验模型的结构简化设计；

小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型需包含整个船体结构，并根据小水线面双体船弯扭联合载荷作用下的结构承载变形特性，针对试验模型不同部位提出相应的结构简化设计方案。

图2为实船的上层建筑结构的结构图；图3为本发明一较佳实施例的上层建筑结构的简化模型设计示意图。如图1、图2和图3所示，对上层建筑结构的简化包括对普通骨材构件、甲板纵桁和甲板强横梁以及舷侧外板和纵舱壁上的球扁钢扶强材结构的简化，将普通骨材构件采用扁钢替代，甲板纵桁和强横梁采用扁钢或角钢替代，舷侧外板和纵舱壁上的球扁钢扶强材采用扁钢替代。

图4为实船的连接桥和舷台位置的结构图；图5为本发明一较佳实施例的连接桥和舷台位置的简化模型设计示意图。如图1、图4以及图5所示，试验模型的连接桥和舷台部位的外板与横框架结构型式与实船一致。

图6为实船的下潜体的结构图；图7为本发明一较佳实施例的下潜体的简化模型设计示意图。如图1、图6以及图7所示，对下潜体的结构简化包括将下潜体的横截面形状由复杂外形简化为八边形。

步骤二，进行试验模型的相似设计；

确定在试验模型弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则和扭转相似准则，选则合适的缩尺比完成试验模型结构基本设计，进而进行试验模型非线性范围内的结构设计，不断调整验模型局部加强筋尺寸和间距，直至试验模型的逐次崩溃特性保持和实船基本一致。

根据相似理论，确定试验模型在弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则和扭转相似准则；

试验模型应满足的弯曲设计准则为

试验模型应满足的扭转设计准则为

并且，式1、式2以及式3中，

上式中，I为断面惯性矩，t为板厚，L为除t以外的其它几何尺寸，I_t为自由扭转惯性矩,I_w为约束扭转惯性矩，且角标s、m分别代表实船与试验模型。

根据小水面双体船实船尺寸及结构尺寸，选择合适的缩尺比完成试验模型结构基本设计，缩尺比包括几何相似比和厚度相似比，结合试验模型在弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则和扭转相似准则进行试验模型的初步设计。在试验模型初步设计完成后，再进行非线性范围内的试验模型结构设计，计算试验模型在弯扭联合作用下的逐步崩溃模式，并与实船在弯扭联合作用下的逐步崩溃模式进行对比，在满足加筋板屈曲模式和破坏模式相似的前提下，不断调整试验模型局部加强筋尺寸和间距，直至试验模型的逐次崩溃特性保持和实船基本一致。

当进行加强筋屈曲强度及破坏模式相似验证时，如不符合验证需求，需重新选择缩尺比，并结合试验模型在弹性范围内结构设计时的弯曲相似准则和扭转相似准则再次进行试验模型的初步设计，直至加强筋屈曲强度及破坏模式相似验证符合验证需求。

当加强筋屈曲强度及破坏模式验证符合验证需求后，需进行试验模型在弯扭联合作用下的逐步崩溃模式与实船在弯扭联合作用下的逐步崩溃模式进行相似性对比，如相似性不一致，需重新进行非线性范围内的试验模型结构设计，不断调整试验模型局部加强筋尺寸和间距，如此反复，直至试验模型的逐次崩溃特性保持和实船基本一致。

步骤三，进行横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构设计；

分别针对横向弯曲载荷和纵向扭转载荷的作用效应，在试验模型上增设加载结构，实现载荷的有效施加。

图9为本发明一较佳实施例的横向弯曲载荷施加部位及结构加强区域示意图。如图1和图9所示，将试验模型的下潜体的中部结构较其上的其他部位的结构更强，且下潜体的中部结构作为横向弯曲载荷的加载结构，在下潜体的中部结构上加载横向弯曲载荷，防止下潜体在承受横向载荷时首先发生局部破坏，保障性更高。

图10为本发明一较佳实施例的纵向扭转载荷加载结构的示意图，如图1和图10所示，在试验模型的两舷侧前后端共设置有四个纵向扭转载荷加载结构，纵向扭转载荷加载结构采用连接强度足够强的结构件，同时，纵向扭转载荷加载结构与试验模型连接处均进行加强设置，且其中呈对角的两个纵向扭转载荷加载结构上设置垂向支撑结构，另外两呈对角的纵向扭转载荷加载结构上设置有垂向向下载荷施加结构，且四个纵向扭转载荷加载结构处均设置有横向滑轮，实现了对试验模型的纵向扭转载荷加载。

本实施例提供的小水线面双体船弯扭联合极限强度试验模型设计方法，包括以下步骤，步骤一，进行试验模型的结构简化设计；步骤二，进行试验模型的相似设计；步骤三，进行横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构的设计；提出了一种小水线面双体船满足弯扭联合极限强度测试的试验模型，同时，提供了横向弯曲载荷和纵向扭转载荷加载结构，实现了载荷的有效施加，为小水线面双体船船型在弯扭联合作用下的结构变形及崩溃特征研究提供依据，指导船舶结构的安全性设计，利于船舶行业的发展。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。