由于船體是由各個部分的加筋板格通過焊接的方式組合成的復(fù)雜箱型梁結(jié)構(gòu)。在船舶運(yùn)營過程中,由于長期受到惡劣海況的影響,在自身重力、貨物以及波浪力等周期性交變載荷共同作用下,很容易在焊接區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋。由于操作不當(dāng)導(dǎo)致的突發(fā)事件,如船舶擱淺、碰撞以及貨物裝卸等則會對船體結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷包括板格的局部凹陷、斷裂破損等。因此,對于年久失修的老齡船舶,給出結(jié)構(gòu)在裂紋、凹痕等損傷下的剩余極限強(qiáng)度評估能為船舶結(jié)構(gòu)的維護(hù)和保養(yǎng)提供可靠依據(jù),對保證老齡船舶運(yùn)營使用過程中的安全性和延長船舶的使用壽命都具有重要意義。對于某些甲板含有大開口的船舶,比如集裝箱船或者大型散貨船。由于甲板大開口的特殊結(jié)構(gòu)形式,使得船體艙段結(jié)構(gòu)的抗扭剛度明顯降低。在這種情況下,對于船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核時,不僅需要考慮船體結(jié)構(gòu)抵抗垂向總縱彎曲變形的能力,還需要對艙段抗扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)的評估分析。為了提高經(jīng)濟(jì)效益,船舶建造中高強(qiáng)度鋼被廣泛使用,船體板的屈服強(qiáng)度不斷提高,而板厚選取則越來越薄,反而降低了結(jié)構(gòu)的剛度。同時,高強(qiáng)度鋼的使用并沒有使結(jié)構(gòu)的抗疲勞和防撞性能得到明顯改善。本文針對上述船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度中所面臨的問題,具體做了以下研究工作:(1)系統(tǒng)總結(jié)概括了完整加筋板結(jié)構(gòu)在受到壓縮載荷作用下極限強(qiáng)度評估的經(jīng)驗(yàn)公式,對比了不同簡化預(yù)測公式的特點(diǎn)。通過非線性有限元方法分析了船體甲板加筋板架的屈曲和后屈曲特性,分別考慮了板厚、加強(qiáng)筋尺寸、縱骨間距、橫梁間距等參數(shù)對受壓加筋板極限強(qiáng)度的影響,研究了不同材料屈服強(qiáng)度的變化對受壓加筋板失效破壞模式的影響。(2)船體結(jié)構(gòu)由于重物墜落、碰撞、擱淺等會產(chǎn)生局部凹痕損傷。本文歸納總結(jié)了凹痕損傷的各種形狀函數(shù)形式,通過對加筋板中間跨度區(qū)域預(yù)置凹痕的方法,分析了凹痕對受壓加筋板后屈曲行為的影響,分別考慮了凹痕形狀、凹痕尺寸、凹痕深度、凹痕傾角和凹痕位置等主要參數(shù)的影響。(3)具有雙層底和雙層舷側(cè)的大開口船體梁可以看做是由多個箱型梁組合而成。箱型梁在扭轉(zhuǎn)載荷作用下發(fā)生失效破壞的過程中,同時承受著純扭矩的作用和翹曲應(yīng)力引起的翹曲彎矩的共同作用。本文通過建立簡化箱型梁模型的方法,分析了船體箱型梁結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的極限破壞特性,研究了橫向構(gòu)件包括強(qiáng)橫框、橫艙壁對船體結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)載荷時所起到的作用。通過改變箱型梁加強(qiáng)筋的腹板高度和厚度,分析了加強(qiáng)筋對船體簡化箱型梁扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度的影響。(4)對含帶傾角裂紋的簡化箱型梁在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了研究。通過非線性有限元法分析了裂紋尺寸和裂紋傾角兩種重要參數(shù)對閉口箱型梁扭轉(zhuǎn)屈曲破壞行為的影響�；谟邢拊嬎愕臄�(shù)值結(jié)果,通過曲線擬合的方法構(gòu)造出了含帶傾角裂紋的箱型梁剩余扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度的簡化預(yù)測公式。(5)基于IACS共同規(guī)范,設(shè)計了一種含加筋的簡化大開口箱型梁模型用來研究裂紋對大開口箱型梁扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度的影響。通過屈曲模態(tài)的形式對比分析了不同形式初始缺陷對大開口箱型梁扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度的影響。通過改變裂紋的位置和尺寸等參數(shù),分析了單邊裂紋和雙邊裂紋對大開口加筋箱型梁扭轉(zhuǎn)破壞失效行為的影響。通過改變加筋的數(shù)量和加筋腹板厚度等參數(shù),分析了加強(qiáng)筋對含裂紋大開口箱型梁扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度的影響。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在以下幾個方面:(1)基于非線性有限元結(jié)果,考慮不同材料屈服強(qiáng)度和板厚的影響,提出了單向受壓加筋板極限強(qiáng)度修正的簡化預(yù)測公式,把極限強(qiáng)度的預(yù)測結(jié)果誤差由15%縮小到5%以內(nèi)。分析了加強(qiáng)筋與帶板之間的相對剛度與加筋板的失效模式之間的關(guān)系,給出了加筋板中加強(qiáng)筋與帶板之間的相對剛度表達(dá)式。(2)通過歸納凹痕損傷變形函數(shù)形式,考慮了凹痕引起的加強(qiáng)筋側(cè)向變形,給出了加筋板的凹痕損傷函數(shù)形式。通過分析凹痕尺寸、凹痕深度和凹痕傾角等參數(shù)的影響,提出了凹痕參數(shù)與加筋板極限強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系式。(3)對箱型梁在扭轉(zhuǎn)載荷作用下的非線性屈曲大變形進(jìn)行了分析,對箱型梁扭轉(zhuǎn)破壞的失效機(jī)理進(jìn)行了深入研究。通過能量法給出了考慮橫艙壁影響的箱型梁等效扭轉(zhuǎn)剛度表達(dá)式。對大開口箱型梁的扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)理進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)大開口箱型梁扭轉(zhuǎn)剪切大變形主要發(fā)生在舷側(cè)板架區(qū)域。定性分析了加強(qiáng)筋和橫框架對箱型梁抵抗扭轉(zhuǎn)大變形過程中所起的作用,給出了橫框架等效為艙壁的臨界高度表達(dá)式。(4)通過分別考慮裂紋在船體簡化箱型梁船底板和舷側(cè)板不同位置時對箱型梁極限強(qiáng)度的影響,提出了有效剩余斷面的概念。通過考慮預(yù)置裂紋與完整箱型梁扭轉(zhuǎn)失效區(qū)域面積之間的關(guān)系,提出了失效區(qū)域損傷的概念�；谟行Ｓ鄶嗝婧褪^(qū)域損傷的概念,結(jié)合凈截面屈服理論,提出了單邊裂紋和雙邊裂紋大開口箱型梁扭轉(zhuǎn)剩余極限強(qiáng)度的預(yù)測公式。通過與有限元結(jié)果和10000TEU集裝箱船分析結(jié)果對比驗(yàn)證了預(yù)測公式的有效性及在工程中的適用性。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U661.43
【部分圖文】：

c 甲板縱桁裂紋 d 底板加強(qiáng)筋排水孔裂紋圖 1 1 船舶結(jié)構(gòu)中常見的裂紋形式Fig. 1 1 Typical cracking forms in ship structures傳統(tǒng)的設(shè)計方案都是假定結(jié)構(gòu)為一個理想的均勻的連續(xù)體，不考慮裂紋損傷結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞的影響。常規(guī)的強(qiáng)度理論只是把結(jié)構(gòu)可能存在的各種缺陷因通過安全系數(shù)的形式來考慮。但是，隨著船舶結(jié)構(gòu)的大型化趨勢和高強(qiáng)度鋼及考慮船舶建造的輕量化要求和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，船體結(jié)構(gòu)的相對柔度越來越大。致了實(shí)際工程中的船體結(jié)構(gòu)更容易因?yàn)榱鸭y損傷而發(fā)生屈曲失效或脆性斷此時，僅僅通過簡單引入安全系數(shù)的形式考慮裂紋等的影響已經(jīng)不能充分的構(gòu)安全性進(jìn)行準(zhǔn)確評估。對于老齡船舶而言，更需要對含裂紋的船體結(jié)構(gòu)的進(jìn)行深入的評估探討。目前，裂紋損傷研究工作主要由兩部分組成：一種是基于斷裂力學(xué)的相關(guān)理論。通過斷裂參數(shù)分析，其中包括應(yīng)力強(qiáng)度因分、裂紋尖端張開位移 COD、區(qū)域彈塑性應(yīng)變能和裂紋尖端塑性區(qū)形狀等，尖端的應(yīng)力奇異性，進(jìn)而給出含裂紋構(gòu)件的臨界斷裂應(yīng)力公式，再依據(jù)相應(yīng)

損傷可能發(fā)生在兩個船舶之間、船舶與海洋平臺之間、船舶與碼頭之間，以及船舶與海冰之間相互作用，如圖1 2所示。一般情況下，碰撞過程中船體結(jié)構(gòu)的主要影響區(qū)域?yàn)橄蟼?cè)板架和船艏位置。對于不同的船體而言，碰撞損傷的位置和形狀各不相同，依賴于實(shí)際操作條件及撞擊物的形狀。重物墜落所產(chǎn)生的凹痕則主要發(fā)生在船舶甲板或平臺上，由于貨物、集裝箱或其他裝卸設(shè)備倒塌等造成的。a 散貨船與集裝箱船碰撞凹痕 b 散貨船破冰凹痕圖 1 2 船體結(jié)構(gòu)中常見的凹痕損傷Fig. 1 2 The common dent damage appeared in hull structures近年來不少學(xué)者對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了碰撞試驗(yàn)，分析了板和加筋板等局部結(jié)構(gòu)在受

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章 單向受壓加筋板極限強(qiáng)度預(yù)測公式研究板單元選用 16 個網(wǎng)格，加筋沿腹板高度選用 6 個網(wǎng)格，從而得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果。表 2-1加筋板的幾何參數(shù)Table 2-1 Geometry dimentions of the stiffened panels板格編號 加筋類型 a b m B twhwtfhft1 Tee 3000 500 14 7500 14 198.6 10 61.2 21.72 Flat 3000 500 14 7500 14 260.2 12.4 — —

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2811626