發(fā)布時間：2020-05-31 11:14

【摘要】：船體結(jié)構(gòu)的極限強度是船舶結(jié)構(gòu)安全性的重要保障,因而極限強度評估長期以來受到了船舶工程界的高度關(guān)注,雖然國內(nèi)外做了大量的研究,但是近年來船體結(jié)構(gòu)斷裂破壞的事故還是不斷出現(xiàn),仍然需要更加深入的研究。經(jīng)過五十余年的探究,船體結(jié)構(gòu)的極限強度評估已經(jīng)在理論分析、數(shù)值計算、試驗研究及簡化算法開發(fā)等方面取得了豐碩的成果,船舶工程界對船體結(jié)構(gòu)極限強度的認識和理解也逐漸清晰。同時,鑒于船體結(jié)構(gòu)極限強度的重要性與復雜性,第19屆國際船舶與離岸結(jié)構(gòu)大會極限強度技術(shù)委員會依然強調(diào):“極限強度評估取得了很多進展,當前正成為保障船舶結(jié)構(gòu)安全的更重要因素。從這個角度來看,極限強度委員會的作用仍然非常重要”。需要指出的是:已有的船體結(jié)構(gòu)極限強度研究工作絕大多數(shù)都是基于靜力極限強度評估理念,即認為船體結(jié)構(gòu)在單調(diào)增加外載荷作用下崩潰。針對船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的極限強度研究工作十分稀少。事實上隨海浪起伏,船體結(jié)構(gòu)是循環(huán)變形的。在多次惡劣海況及其導致的極端載荷的作用下,即使船體梁不發(fā)生整體崩潰,在若干局部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生累積塑性變形是完全可能的。在上述極端循環(huán)載荷作用下,船體結(jié)構(gòu)將在低周疲勞與極限強度破壞(延性破壞)的耦合作用下失效。如果對與極端循環(huán)載荷密切關(guān)聯(lián)的船體結(jié)構(gòu)(低周)疲勞破壞另作討論,船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的破壞將由伴有塑性變形累積的受壓部件屈曲失效所主導。本論文針對海況的惡劣程度不斷加劇情形,主要關(guān)注船體結(jié)構(gòu)在惡劣循環(huán)載荷下的極限強度失效問題。對本文研究范圍所作的上述限定是有益的,表明船體結(jié)構(gòu)將在不斷加劇地惡劣海況下持續(xù)產(chǎn)生新的塑性變形,雖然循環(huán)載荷下的船體結(jié)構(gòu)安定性問題也非常重要,但與低周疲勞問題都不是本文的研究重點。本文運用理論分析、數(shù)值計算、試驗研究及Smith簡化算法等對船體板、船體加筋板以及船體梁在循環(huán)載荷下的極限承載性能開展了全面而深入的研究。通過本文研究,在國際上首次提出和實現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下的極限強度的評估方法和手段,研究內(nèi)容在理論分析、模型實驗、數(shù)值模擬、到簡化算法等工作上進行了全覆蓋,全面突破、提升和開拓了船體結(jié)構(gòu)極限強度評估的研究現(xiàn)狀和方向,對今后實現(xiàn)真實海洋環(huán)境下船體結(jié)構(gòu)極限強度研究具有引領(lǐng)、示范作用。本文工作對更加真實、有效地評估船體的極限強度有很好的科學意義和工程應(yīng)用價值,論文的研究成果為船體結(jié)構(gòu)極限強度的研究提供了新的思路和有價值的理論參考。主要工作如下:(1)系統(tǒng)歸納了船體結(jié)構(gòu)極限強度研究的發(fā)展歷程及其研究現(xiàn)狀,對其研究方法及相關(guān)研究成果進行了總結(jié)。在總結(jié)已有的船體結(jié)構(gòu)極限強度研究的基礎(chǔ)上,提出并闡明了開展循環(huán)載荷下考慮累積塑性破壞的船體結(jié)構(gòu)極限強度研究的重要意義,同時對與其直接相關(guān)的研究成果進行了梳理。(2)從已有的面內(nèi)循環(huán)載荷下板構(gòu)件極限承載性能研究(Fukumoto,黃震球)著手,提出面內(nèi)循環(huán)壓縮下船體板的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變滯回曲線的理論建構(gòu)思路。并將基于上述思路獲得的面內(nèi)循環(huán)壓縮下船體板平均應(yīng)力-平均應(yīng)變滯回曲線與試驗曲線進行了對比。(3)運用梁-柱理論推導船體梁橫剖面上加筋板單元在面內(nèi)單調(diào)壓縮下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系,結(jié)合非線性有限元方法對梁-柱法平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系進行改進。通過擴展加筋板單元在面內(nèi)單調(diào)壓縮下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系,獲得了加筋板單元在面內(nèi)循環(huán)載荷下的平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系。(4)運用非線性有限元方法對面內(nèi)循環(huán)載荷作用下的船體板(方板)、船體加筋板及船體梁的極限承載特性開展了數(shù)值研究。其中討論了有限元模型的建模范圍、單元選擇、網(wǎng)格尺寸、初始缺陷、邊界條件、循環(huán)載荷加載方法及計算結(jié)果處理等。(5)設(shè)計制作了七個方柱系列模型,對其開展軸向循環(huán)壓縮下的極限承載性能試驗。通過試驗及非線性有限元研究了船體板在面內(nèi)循環(huán)壓縮下的失效特性及其(剩余)極限強度,(剩余)剛度等重要特性。(6)設(shè)計制作了五個箱型梁系列模型,對其開展了單側(cè)、雙側(cè)循環(huán)彎曲下的極限崩潰試驗。通過試驗研究了船體梁在反復中垂及交替中垂-中拱彎矩下的極限承載性能。同時,對部分模型試驗開展了非線性有限元模擬。(7)以單調(diào)彎矩下船體梁極限強度逐步崩潰法(Smith方法)為基礎(chǔ),研制了循環(huán)彎曲下船體梁的極限強度逐步崩潰法計算程序。運用所研制的計算程序?qū)Σ煌孛嫘问降南湫土哼M行了單側(cè)循環(huán)、雙側(cè)循環(huán)模式下的極限強度評估。針對循環(huán)彎矩幅值的不同,對兩艘實船開展了循環(huán)彎曲極限強度評估。(8)總結(jié)本文的研究工作,并對后續(xù)研究工作進行展望。
【圖文】：

圖 1-1 “Titanic Liverpool”與冰山相撞后的海水涌入導致其斷為兩截從船舶力學和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的視角觀察泰坦尼克號沉沒事故，有以下幾訓可以獲得。首先，鋼材因為低溫，其韌性降低而脆化。即使是當今品也依然遵循上述規(guī)律，有理由懷疑用于建造泰坦尼克號的鋼材在低裂韌性不足。換句話說，泰坦尼克號的船體結(jié)構(gòu)在低溫下容易因局部生脆性破壞。其次，報道稱其與冰山碰撞時的撞擊速度約為 23節(jié)（接近），使得船體在撞擊后嚴重破裂，致使大量海水涌入船體。意外涌入變了船體的載荷分布，并極大增加了船體梁的最大彎矩。最后，由于，甲板結(jié)構(gòu)受到較大的壓縮載荷，導致了船體結(jié)構(gòu)的屈曲崩潰。綜上船體破損，在船體結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要應(yīng)用考慮屈曲/塑性失效的極限狀態(tài)。案例二：單殼油輪“Energy Concentration”事故“Energy Concentration”是一艘單殼原油運輸船，其總長，型寬和型深312.7, 48.2 和 25.2 米，總噸位 98894 噸。1980 年 7 月 21 日，“E

圖 1-2 “Energy Concentration”折斷后的情形從船體結(jié)構(gòu)設(shè)計的視角，可以從“Energy Concentration”事故中獲得一訓。首先，貨物卸載不當可能會使船體梁承受的最大彎矩超過其最大矩。其次，甲板板或船底板需要基于極限狀態(tài)設(shè)計理念進行設(shè)計，以船體梁極限強度能夠承受因為意外出現(xiàn)的貨物裝載和卸載情況對設(shè)計以及設(shè)計環(huán)節(jié)的嚴重影響。Rutherford & Caldwell[2]仔細分析了事故原為卸載流程不當是事故發(fā)生的主要原因，強調(diào)了船體結(jié)構(gòu)極限強度研性。案例三：散貨船“Derbyshire”號事故“Derbyshire”號是一艘雙舷好望角型散貨船，總長 281.9 米，型寬 44 25 米，最大載重量 173218 噸。事故發(fā)生時，，只有 5 年船齡，可以認有遭受任何與運營損耗有關(guān)的結(jié)構(gòu)弱化。另外一個顯著特征是它采用構(gòu)，可以防止舷側(cè)結(jié)構(gòu)破壞后海水涌入貨艙。1980 年 9 月 9 日，她在花”肆虐期間從加拿大載運精鐵礦前往日本，在日本四國島以南約 4
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U661.43

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 何福志,萬正權(quán);船體結(jié)構(gòu)總縱極限強度的簡化逐步破壞分析[J];船舶力學;2001年05期

2 孫久龍,胡毓仁;船體總縱極限彎矩計算的一種簡化方法及程序開發(fā)[J];船舶力學;2001年04期

3 黃震球;船舶強度研究中的幾個問題[J];武漢造船;1999年03期

4 崔維成;加筋板格的屈曲強度和極限強度分析(英)[J];船舶力學;1998年03期

5 王杰德,熊建武;船體極限縱向強度及其統(tǒng)計量的計算[J];武漢交通科技大學學報;1997年01期

6 黃震球,陳齊樹,駱子夜;循環(huán)彎曲載荷下船體梁的極限縱強度[J];中國造船;1996年03期

7 黃震球，陳齊樹，駱子夜，康少杰;循環(huán)面內(nèi)壓縮載荷下方板的非彈性變形性能[J];華中理工大學學報;1996年03期

8 陳鐵云，陶晨;船體的極限承載能力[J];上海交通大學學報;1996年03期

9 黃震球;循環(huán)壓縮－拉伸載荷下矩形板的極限強度[J];華中理工大學學報(社會科學版);1994年04期

10 黃震球;;關(guān)于海船船體總強度準則的一個新見解[J];武漢造船(武漢造船工程學會會刊);1993年06期

相關(guān)會議論文 前1條

1 任慧龍;李陳峰;;基于遞增塑性破壞的船體極限強度分析研究[A];2007年船舶力學學術(shù)會議暨《船舶力學》創(chuàng)刊十周年紀念學術(shù)會議論文集[C];2007年

相關(guān)博士學位論文 前2條

1 李陳峰;破損艦船剩余強度評估方法研究[D];哈爾濱工程大學;2009年

2 楊平;船體結(jié)構(gòu)極限強度及破損剩余強度的研究[D];武漢理工大學;2005年

相關(guān)碩士學位論文 前4條

1 周亮;循環(huán)載荷下船體梁遞增塑性破壞行為分析[D];武漢理工大學;2014年

2 單成巍;循環(huán)載荷作用下船體結(jié)構(gòu)的極限強度非線性有限元分析[D];武漢理工大學;2013年

3 劉恪暢;循環(huán)彎曲下船體梁極限強度研究[D];武漢理工大學;2012年

4 李輝程;基于遞增塑性法的船體極限強度研究[D];哈爾濱工程大學;2009年

本文編號：2689770