淺析船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)技術(shù)

陳昊 陳念寧

摘 要：船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度是船體結(jié)構(gòu)安全檢驗(yàn)中的重要參考指標(biāo)，因此船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)技術(shù)在船舶工程行業(yè)中發(fā)揮著十分重要的作用，基于此，本文針對(duì)船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的研究分析。在極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，從對(duì)甲板加筋板和箱型梁對(duì)不同模式下的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)技模型設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最終采用實(shí)際的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)對(duì)極限強(qiáng)度模型進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：方向性量綱分析法 穩(wěn)定性相似模型補(bǔ)償法 極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)

1.引言

船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度作為船體結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，在評(píng)價(jià)判斷船體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的過程中發(fā)揮著十分重要的作用，現(xiàn)階段已經(jīng)成為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)估工作中的參考指標(biāo)之一，也是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要進(jìn)行校對(duì)的內(nèi)容之一。但是想要得到船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確數(shù)值存在一定的難度，因此結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)必須要穩(wěn)定開展，以此保證數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，必須要從模型設(shè)計(jì)理論出發(fā)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型設(shè)計(jì)研究

（1）方向性量綱分析法在極限強(qiáng)度中的應(yīng)用

方向性量綱分析法在極限強(qiáng)度中的的應(yīng)用起源于上世紀(jì)六十年代，這種分析方法，將船體的長(zhǎng)度量綱劃分厚度、寬度、長(zhǎng)度三種不同的量綱，并且借助這種分析法推導(dǎo)出基于極限強(qiáng)度的相似準(zhǔn)則。具體的步驟如下：

第一，明確模型試驗(yàn)中涉及到的物理量，分別為外力、內(nèi)力以及材料特性，包括描述船體結(jié)構(gòu)的物理量等，在不同物理量的基礎(chǔ)上，展開船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型的研究。

第二，根據(jù)量綱分析法將相關(guān)物理量之間的關(guān)系，通過一般函數(shù)表達(dá)式表達(dá)出來，繼而推導(dǎo)出極限強(qiáng)度相似準(zhǔn)則π定理，根據(jù)相似準(zhǔn)則和定性準(zhǔn)則，得到系統(tǒng)的相似準(zhǔn)則如下：

其中字母P、M、A、L分別代表著選取力、力矩以及閉口區(qū)域板厚中心線所圍成的面積、線尺度。而字母σ、μ、δ則分別代表著各向正應(yīng)力與剪應(yīng)力、泊松比以及厚度。

（2）穩(wěn)定性相似模型補(bǔ)償在極限強(qiáng)度中的應(yīng)用

上文中提出來的方向性量綱分析法常用于指導(dǎo)船體模型的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如船體剖面慣性矩設(shè)計(jì)，以及中和軸高度設(shè)計(jì)，但是想要對(duì)船體模型的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就會(huì)存在一定的誤差，從而導(dǎo)致船體在運(yùn)行中發(fā)生危險(xiǎn)，因此在方向性量綱分析法的基礎(chǔ)上，還要對(duì)局部穩(wěn)定性進(jìn)行修正，也就需要運(yùn)用到穩(wěn)定性相似模型補(bǔ)償法，這種方法可以分為兩個(gè)部分，一種為非線性起始量相似、一種為非線性終止量相似。按照相似準(zhǔn)則進(jìn)行推導(dǎo)后，分別得到公式如下：

其中第一個(gè)公式中運(yùn)用到了與板格長(zhǎng)寬比相關(guān)的待定系數(shù)、楊氏模量、板厚、泊松比、縱骨間距，而字母b表示模型的縱骨間距，字母β代表板的柔度，而λ代表計(jì)及帶板的柔度，在計(jì)算這兩者柔度中還需要運(yùn)用到加筋板的及向應(yīng)力和筋的慣性半徑。

3.不同模式下船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型設(shè)計(jì)

（1）船艙段模型及甲板失效模式

假定船體的基本數(shù)據(jù)如下：

船體的型寬和型深分別為：20m和14m；甲板相關(guān)內(nèi)容為：主甲板厚度14mm，而甲板上縱向加強(qiáng)筋、主甲板縱桁與橫梁使用的是14a球扁鋼以及T型材，其中14a球扁鋼相關(guān)參數(shù)包括：高度140mm、寬度33mm、厚度7mm、剖面積1405mm2，而T型材中的相關(guān)參數(shù)氛圍縱桁與橫梁，兩者參數(shù)數(shù)據(jù)相同，具體參數(shù)為：腹板尺寸12×400mm，面板尺寸16×200mm；最后，還要明確船體的典型橫梁間距，為2000mm。

通過以上參數(shù)計(jì)算橫梁的臨界剛度后，發(fā)現(xiàn)縱骨間距為0.302，在對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行匯總后，得到了表1中的主要參數(shù)數(shù)據(jù)。

（2）甲板加筋板壓縮試驗(yàn)

在明確了船艙段模型及甲板失效模式后，可以選取甲板上的縱桁與橫梁之間的縱骨和面板進(jìn)行甲板加筋板壓縮試驗(yàn)，以此進(jìn)一步驗(yàn)證甲板加筋板結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，保證上述得到的極限強(qiáng)度公式的準(zhǔn)確性，也能夠?yàn)楹笃诘南湫土耗Ｐ蛷?qiáng)度試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，并且對(duì)船體的極限強(qiáng)度進(jìn)行全面的預(yù)估。甲板加筋板壓縮試驗(yàn)一共分為四個(gè)步驟。第一，選取出核心試驗(yàn)區(qū)域；第二，對(duì)非核心區(qū)域試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)計(jì)；第三，對(duì)配套工裝試驗(yàn)設(shè)計(jì)；第四，甲板加筋板壓縮試驗(yàn)的非線性有限元模型，下圖為甲板加筋板壓縮試驗(yàn)中的核心區(qū)域尺寸。根據(jù)具體的計(jì)算后，得到了船體極限強(qiáng)度為MU=2.04×109N×m，非線性有限元計(jì)算結(jié)果為MU=2.39×109N×m，和實(shí)際的誤差約為17%。

（3）箱型梁模型強(qiáng)度試驗(yàn)

通過對(duì)甲板加筋板壓縮試驗(yàn)可知，雖然試驗(yàn)船體結(jié)構(gòu)和實(shí)際船體結(jié)構(gòu)完全一致，也能夠有效反應(yīng)出船體的破壞模式，但是和實(shí)際情況依然存在較大的誤差，無法完整地反映出船體的破壞過程，因此需要對(duì)箱型梁模型強(qiáng)度試驗(yàn)更進(jìn)一步進(jìn)行判斷，以此降低誤差。通過對(duì)畸變箱型梁模型以及簡(jiǎn)化箱型梁模型的極限強(qiáng)度試驗(yàn)后，預(yù)報(bào)結(jié)果和有限元結(jié)果相同，基本上達(dá)到了較好的試驗(yàn)結(jié)果，因此可知，通過以上兩種方法的綜合使用可以對(duì)船體的極限強(qiáng)度進(jìn)行初步預(yù)報(bào)，得到的預(yù)報(bào)結(jié)果也較為準(zhǔn)確，但是在進(jìn)行具體的計(jì)算之前，還需要對(duì)材料真實(shí)應(yīng)力以及應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)，從而進(jìn)一步保證所得到的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。

4.船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)

經(jīng)過上文對(duì)一些典型代表性的極限強(qiáng)度模型進(jìn)行試驗(yàn)后，本文以某船艙段為具體研究對(duì)象，展開具體的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)研究，以此對(duì)上文的分析進(jìn)行詳細(xì)的驗(yàn)證。分別進(jìn)行了模型試驗(yàn)、小水線面雙體船模試驗(yàn)、高速三體船模試驗(yàn)。首先對(duì)該船的基本參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解，其中船板厚比Ct=4：1，幾何縮尺比CL=10：1，按照上述比例對(duì)試驗(yàn)船體模型進(jìn)行縮尺比設(shè)計(jì)，并且展開上述試驗(yàn)，以此具體判斷船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。針對(duì)高速三體船模試驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，高速三體船模試驗(yàn)采用的是三點(diǎn)彎曲的加載方式，通過這種方式來模擬船體在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的波浪彎矩峰值，通過該試驗(yàn)可以具體判斷出高速三體船的極限承載能力以及三體船總縱極限強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合非線性有限元數(shù)值的計(jì)算方式，可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船體實(shí)際總縱極限承載能力。在研究船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度中模型試驗(yàn)是最為直接的手段，將船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度破壞的原因作為理論基礎(chǔ)，利用量綱分析法和方程分析法確定模型穩(wěn)定性相似準(zhǔn)則，根據(jù)上文試驗(yàn)和仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了剪力對(duì)界面極限強(qiáng)度具有一定的影響，因此在實(shí)際應(yīng)用的過程中還需要考慮到剪力的影響。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)的重點(diǎn)不同，所采用的模型設(shè)計(jì)方案和試驗(yàn)手段也各不相同，在實(shí)際應(yīng)用的過程匯總還需要結(jié)合數(shù)值仿真以及相關(guān)理論，制定具體的研究方案。模型試驗(yàn)是船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究中的重要內(nèi)容，合理開展模型試驗(yàn)，才能夠得到準(zhǔn)確的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度，通過不同的強(qiáng)度試驗(yàn)，可以得到船體極限強(qiáng)度彎扭相關(guān)關(guān)系曲線。在此基礎(chǔ)上就可以展開進(jìn)一步研究。

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