船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度及破損剩余強(qiáng)度的研究

楊潔環(huán)

天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津 300450

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了船舶工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。在當(dāng)前船舶行業(yè)中期船體的結(jié)構(gòu)在承受極限環(huán)境的作用下，其中存在的強(qiáng)度問題變得日益嚴(yán)重，為此對(duì)船體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行正確的評(píng)估對(duì)船體極限強(qiáng)度的設(shè)計(jì)有著十分重要的作用。

1 板和加筋板極限強(qiáng)度分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)法

該測(cè)試方法通常用于分析板和加勁肋的極限強(qiáng)度，并在特定項(xiàng)目中取得了良好的結(jié)果。該應(yīng)用的主要研究?jī)?nèi)容如下：①在船舶結(jié)構(gòu)的具體分析中，通過測(cè)量T型鋼和角鋼，了解了殘余應(yīng)力的分布以及殘余應(yīng)力對(duì)加勁肋的影響，以及該板被理解；②通過本試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法可用于偏心載荷作用下的船舶極限強(qiáng)度分析，為船舶極限強(qiáng)度研究提供參考；③通過試驗(yàn)研究了不同材料、加筋材料和邊界條件對(duì)船舶加勁肋極限強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)。在同時(shí)，在分析過程中還可以分析軸向載荷的影響過程試驗(yàn)方法是研究板材和加強(qiáng)筋。很多學(xué)者們通過分析鋼板和加強(qiáng)筋的極性實(shí)驗(yàn)，所以在分析中合理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法是可行的[1]。

1.2 有限元法

非線性有限元方法和計(jì)算近年來發(fā)展迅速，并逐漸應(yīng)用于加筋混凝土的極限強(qiáng)度預(yù)測(cè)盤子。在目前，有限元法已廣泛應(yīng)用于板和加筋板的有限元研究中，一些結(jié)果已經(jīng)被證實(shí)獲得。與當(dāng)前造船業(yè)的發(fā)展，近年來造船業(yè)發(fā)展迅速年。鋁增強(qiáng)材料由于其重量輕，在輕型運(yùn)輸系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。因此，有必要加強(qiáng)分析內(nèi)容。在研究和分析的過程中，一些學(xué)者對(duì)直接影響極限強(qiáng)度的內(nèi)容進(jìn)行了模擬研究和分析。

2 加筋板極限強(qiáng)度有限元分析

2.1 初始缺陷

船舶結(jié)構(gòu)中有三種加勁肋：角鋼、扁鋼和梯形加勁肋鋼。英寸換句話說，在船體中，鋼筋與船體相連盤子。盤子加固材料通常不同于板。高-高強(qiáng)度鋼可用作加強(qiáng)筋的原材料，中強(qiáng)度鋼可作為鋼鐵原料盤子。到期對(duì)于焊接引起的初始缺陷對(duì)加勁板的影響，本文的分析只考慮了初始撓度對(duì)加勁板的影響，而焊接引起的殘余應(yīng)力對(duì)加勁板的極限強(qiáng)度影響較小，因此本文的分析方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。對(duì)于加筋板的撓度分析，可以從以下幾個(gè)方面入手：①板的初始撓度可以用板在雙向壓力作用下的特征值作為板寬的屈曲模態(tài)來模擬；②加筋板的初始撓度和加筋板的柱形撓度可以用有限元法模擬，加勁肋在雙軸壓力下的特征值屈曲模式；③加勁肋在雙軸壓力下的特征值屈曲模式可以模擬加勁肋的初始撓度，即加勁肋長(zhǎng)度的0.001。在非線性有限元計(jì)算過程中，需要將三個(gè)初始撓度作為極限強(qiáng)度的影響因素。為可以模擬加筋板的初始撓度，需要事先確定非線性有限元模型的節(jié)點(diǎn)，并應(yīng)用加筋板有限元模型。該模型的初始步驟如下：①對(duì)加筋板有限元模型進(jìn)行特征值屈曲分析，得到加筋板與板的關(guān)系[2]。需要注意的是，在加固過程中應(yīng)考慮兩種不同類型的側(cè)向屈曲；②應(yīng)將每個(gè)初始撓度的形狀減小到規(guī)定值；③應(yīng)將減小的初始撓度集成到有限元模型中。

2.2 外荷載

最常見的外部負(fù)載是水壓和雙軸壓力。在分析過程中可以采用到了側(cè)向水壓為0.16mpa的極限設(shè)計(jì)條件。在非線性有限元的計(jì)算中，首先將側(cè)面壓力施加到模型，然后再施加軸向應(yīng)力。施加側(cè)向壓力后，可以發(fā)現(xiàn)初始偏斜將被側(cè)向表面壓力引起的變形所覆蓋。此時(shí)，可以判斷橫向應(yīng)力，并且軸向載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度有很大的影響。在船舶加筋板有限元模型中，采用到了shell181單元對(duì)加筋板、翼緣和翼腹板進(jìn)行了數(shù)值模擬零件。由對(duì)比各種分析結(jié)果，在分析過程中，加勁肋損傷后，特別是加勁翼緣和腹板的網(wǎng)格變得密集，會(huì)引起橫向屈曲失敗。在問題分析過程中，必須進(jìn)行有限元計(jì)算已執(zhí)行。該分析表明，加勁板存在損傷，尤其是加勁翼緣與腹板的嚙合失效密集加勁肋對(duì)提高船體板的極限強(qiáng)度有著十分重要的意義。

3 分析船體板架極限強(qiáng)度

船板是船舶的關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)英國(guó)船舶結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度分析必須分析這一內(nèi)容，這也是船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析過程中的關(guān)鍵內(nèi)容結(jié)構(gòu)。英寸分析和發(fā)展的早期階段，船體網(wǎng)架的穩(wěn)定性分析主要是在極端邊界條件下進(jìn)行的，即在具體問題分析過程中，假設(shè)船體網(wǎng)架的邊界為剛性固定狀態(tài)，且簡(jiǎn)單支撐。彈性極限狀態(tài)之間的約束，不難發(fā)現(xiàn)，船體格柵的屈曲強(qiáng)度在一定程度上取決于格柵的邊界約束。當(dāng)船體網(wǎng)格不穩(wěn)定時(shí)，船體上某些材料的應(yīng)力估計(jì)已進(jìn)入非線性狀態(tài)。為可以保證最終分析結(jié)果的合理性，有必要進(jìn)行彈塑性穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)算方法是引入材料壓應(yīng)力進(jìn)入非線性狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力修正概念，即用解析或解析公式求解歐拉應(yīng)力。有限元方法是基于對(duì)彈性臨界壓力的分析和修復(fù)。不同材料的校準(zhǔn)曲線之間存在較大的差距，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的組成也非常復(fù)雜。復(fù)雜成員的內(nèi)力分配不可避免地會(huì)受到影響并失去平衡。這次，結(jié)構(gòu)的術(shù)語模量有所不同。采用統(tǒng)一的校正方法對(duì)模型進(jìn)行校正，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可進(jìn)行機(jī)加工，取得滿意的效果。類似于有限元方法的合理應(yīng)用，它可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜不規(guī)則網(wǎng)格的合理計(jì)算。

4 船體極限強(qiáng)度研究的展望

直接法的適用性和適用性嚴(yán)重不足有缺陷。在在具體的分析過程中，計(jì)算出的最終彎矩會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響錯(cuò)誤。對(duì)于例如，在研究分析過程中所采用的漸進(jìn)失效分析方法要求有良好的理論背景和準(zhǔn)確合理的計(jì)算方法單位平均數(shù)壓力，英寸分析過程中，采用了傳統(tǒng)的非線性有限源法。如果沒有成熟方法的支持，不同的人會(huì)對(duì)同一結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限強(qiáng)度分析，其最終的結(jié)果也會(huì)有所不同。當(dāng)前技術(shù)的不斷發(fā)展和船舶研究的不斷深入，人們可以對(duì)加筋板在均布荷載作用下的極限強(qiáng)度進(jìn)行研究和分析。然而，實(shí)際研究表明，某些結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到不均勻荷載分布的影響。因此，在今后的研究過程中，有必要進(jìn)一步的加強(qiáng)到了加筋板在共同荷載作用下的局部（整體）分析，才可以有效的提高到了計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性。

5 結(jié)語

由上可知，傳統(tǒng)的以線性彈性應(yīng)力水平已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前的船舶行業(yè)的需求，為此極限承載能力為基礎(chǔ)的技術(shù)在逐漸的代替到以往傳統(tǒng)的以線性彈性應(yīng)力水平。船體極限強(qiáng)度計(jì)算方法的研究是當(dāng)前船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，受到人們的重視。