基于简化逐步破坏法的损伤后船体梁极限强度研究.pdfVIP

基于简化逐步破坏法的损伤后 船体梁极限强度研究 , 胡胜谦，张延昌 （江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003 ） 摘要：传统的基于线弹性理论的许用应力法指导船舶结构设计过于保守。而计及塑性变形，表征船体梁抵抗外力和变形 最大能力的极限强度则更精确的给出了船体梁的极限承载能力。用极限强度指导船舶结构设计可以在保证船体安全性的 前提下，最大化的减轻船体重量，提高船舶营运的经济性。本文基于共同规范(Common Structural Rules)的相关规定， 利用VB 语言编制了损伤后船体梁极限强度的简化逐步破坏法计算程序。计算程序考虑到了损伤后船体梁有效横剖面的 非对称性以及船体梁极限强度逐步破坏迭代计算过程中横剖面中和轴的平移和转动，可以实现对损伤后船体梁在中拱以 及中垂工况下极限强度的计算。经Reckling23 和Nishihara 箱形梁极限强度的验证计算表明，本计算程序具有较高的计 算精度。随后又对一艘大型散货船和一艘双壳 VLCC 的完整结构工况、碰撞破损工况、搁浅破损工况、结构局部凹陷 工况进行了极限强度的计算，根据程序计算结果对散货船及油船总纵结构强度与其各自的结构特点进行了讨论分析，并 给出了一些对散货船、油船强度设计的建议。 关键词：极限强度；剩余强度；简化逐步破坏法；破损船体 引 言 船体梁的极限强度指的是船体梁在外力作用下，抵抗变形和破坏的最大能力，一般以船体梁的总纵极 限弯矩来衡量，而船体梁的总纵极限弯矩从数值上定义为船体梁的弯矩- 曲率曲线的斜率为零时的峰值点所 对应的弯矩。 传统上，船舶的强度设计一般以始屈弯矩来衡量船体梁的强度，假设船体剖面上的垂向弯曲正应力为 线性分布，当离开中和轴最远处，一般为甲板或者船底部的构件的应力达到材料的屈服应力时，所对应的 剖面弯矩即为始屈弯矩。但是，当船体所受总纵弯矩达到始屈弯矩时，仅有甲板或者船底部的少数几个构 件开始屈服，其他构件仍有一定的强度裕度，整个船体仍能继续抵抗一定的载荷而不至于发生大的变形和 破坏。只有当根据理想弹塑性假设，整个船体剖面构件均达到屈服应力，剖面形成塑性铰时，才达到理想 状态下的船体总纵强度的最大值，即船体梁的极限弯矩。然而，实际上船体受压构件常常发生屈曲失效， 船体剖面不可能形成塑性铰，在此情况下，如何评估船体在工程应用中的总纵强度最大值，便成为了船体 的极限强度计算所要解决的问题。 目前，船体梁的极限强度主要采用四种方法进行计算：直接计算法(Direct Method) 、简化逐步破坏法 (Smith’s Method)、非线性有限元法(Nonlinear Finite Element Method)和理想结构单元法(Idealized Structure 1 Unite Method) 。在这些方法中，逐步破坏法以计算较为便捷的同时又能获得较高的精度的优势成为应用较 为广泛的一种，本文即采取简化逐步破坏法对损伤后船体梁的极限强度进行计算。 1 船体梁极限强度的简化逐步破坏法分析 逐步破坏法的基本思路为：将整个船体横剖面划分为许多个小的单元，并分别确定其应力-应变关系， 通过强加给船体梁横剖面以曲率 ，计算得每个单元的应变，进而得出每个单元的应力，将其沿横剖面积 分便得到了该曲率下的弯矩M ，不断的增加船体梁的曲率，叠代计算便可以得到船体梁的弯矩- 曲率曲线。 需要特殊说明的是，本文针对损伤后船体梁横剖面所进行的极限强度的简化逐步破坏法计算在计算过 程中考虑到了损伤后船体梁有效横剖面的非对称性。相对于完整船体梁极限强度的简化逐步破坏法迭代计 算，损伤后船体梁在计算过程中其横剖面所受的拉力和压力的中和轴移动不再仅仅是上下平动，还需考虑 到中和轴的旋转。 1.1 简化逐步破坏法的假定 应简化逐步破坏法计算船体梁极限强度时，一般作以下假定： (a) 在两个相邻强框架之间的船体横剖面计算极限强度； (b) 在每次增加曲率时，船体梁横剖面保持平面状态，即平断面假设； (c) 船体材料具有弹塑性特性； (d) 船体梁横剖面