船體結(jié)構(gòu)總縱極限強度的簡化逐步破壞分析

李護林

摘要：依據(jù)薄壁梁理論，推導(dǎo)出縱向強度試驗相似模型應(yīng)滿足的條件。在此基礎(chǔ)上，選擇滿足實驗室裝載條件的小型相似文件夾，設(shè)計了雙軸承模型和存儲模型。采用非線性有限元方法對中拱、中垂極限強度進行了非線性分析。相比較而言，總線極限強度測試更適合單層模型。

關(guān)鍵詞：船體結(jié)構(gòu);總縱極限強度;相似模型;小比尺

前言

船舶縱向強度評價是船舶結(jié)構(gòu)和強度分析的基礎(chǔ)內(nèi)容。縱貫軀干強度是指軀干在正常工作或整個縱向曲線上承受較大壓力時，軀干的抗壓能力主要取決于軀干的承載能力。若以垂直彎曲力矩與軀干樞軸角之間的關(guān)系來表達整個縱向彎曲的剛度特性，軀干的總縱向強度可以定義為彎曲力矩，它對應(yīng)于轉(zhuǎn)矩曲線傾斜度為零的點。車體總縱向剛度的理論分析必須通過試驗結(jié)果加以驗證。剛度最高的試驗?zāi)Ｊ接腥N：

（1）實比例模型：當船舶發(fā)生故障時，可視其為船舶極限強度試驗的實船模型，或?qū)嵈臉O限強度進行專門的極限強度試驗。真實的強度檢測的成本非常高，一般情況下難以實現(xiàn)。

（2）加強型箱梁模型：經(jīng)典模型為道林模型、瑞克林模型和西原模型。盡管加固箱梁模型簡單、易行，但不能準確地反映實際船舶結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能

（3）相似模型：六、七十年代，日本宇航廳在1、2號護衛(wèi)艦上進行了類似的模擬試驗，孫兆剛等進行了船主船體整體縱向強度模型試驗，楊平對1：4.6的內(nèi)陸船和重型船進行了模型試驗。同類船舶設(shè)計中存在著許多問題：相似尺度越大，模型試驗費用越高，相似尺度太小，導(dǎo)致模型骨距過小，對焊接不利;而轉(zhuǎn)換成類似標準的船體零件可能太小或不完整，不能滿足一般船體外形的要求;由于實驗室載荷平臺的大小和最大負荷能力的限制，本文試圖用較小的相似度來設(shè)計既適用于加工制造的船體零件，也反映了實船的結(jié)構(gòu)特征，并適合測量實船的極限強度。

一、相似分析理論

應(yīng)用簡支薄壁理論分析軀干純彎曲問題。圖1顯示了純彎曲簡支梁模型。

為反映實際船骨和板骨的局部折疊特性，船骨和船板上的歐拉載荷必須與實際船體相同，并滿足（3）方程。需要指出的是，雖然上述相似點只來自桿件，但邊界條件并不改變物理量與尺寸之間的關(guān)系，因此它們同樣適用于其他邊界條件。

二、實船尺寸

根據(jù) CCS2006年《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》，其主要部件為 Lpp-214.2 m，B=32.0 m，D=18.8 m，d=12.0 m。

三、模型尺寸

總縱彎力在船長方向的分布規(guī)律為中間大，兩端逐漸減小為零;中艙的承載力在很大程度上決定了整個船體的極限強度。于是，#117～#155號船在貨艙內(nèi)檢查了全部船艙，長度約為29.76 m。文中沒有使用1++1+1/2的裝載室模型，以保證貨艙內(nèi)發(fā)生損壞。按此方法計算的極限強度最大

（一）雙層模型

由于集裝箱船型為雙面和雙面底面，所以雙軸承模型更符合實際船舶結(jié)構(gòu)。為滿足實驗室試驗平臺的有限尺寸和最大載荷條件，通過多次試驗計算，確定了縱向比較比例尺為22.57，相似模板厚度為6.40。模式接口單元應(yīng)遵守公式（3）的比率，即：

雙模采用高強鋼制造。圖3顯示了按相似比例轉(zhuǎn)換的組件，板厚的歐拉電壓大于屈服，模型不會過早鎖定。

（二）單層模型

盡管雙軸承模型與實船結(jié)構(gòu)相似，但兩層間的距離只有79 mm，兩面間距只有84 mm。這一間距焊接困難，不利于模具加工和生產(chǎn)。因此，我們嘗試設(shè)計一個類似的單層模型。縱梁分析中，實際船體的縱梁和平臺盤均為桿單元，雙層樓板相當于單層，且兩層對應(yīng)一面。為滿足實驗室的荷載條件，在進行多次試驗計算后，必須考慮模型長度（超過20層）和密度比例尺（9.7）的相似尺度。為保證模型試驗（3）條件的相似度，即Cw = C2C，=20×9.7=3880。

四、數(shù)值分析與對比

為模擬純彎曲狀態(tài)，將試驗?zāi)Ｐ头殖扇齻€部分，如圖4所示。中試階段為僅受彎矩作用的貨艙模型;而兩端加載段的板厚比試驗段要厚，保證作用載荷后試驗段先發(fā)生破壞，中間段僅受彎矩作用，而兩端加載段的板厚比試驗段要厚，保證作用載荷后的試驗段先發(fā)生破壞，從而測量出試件的極限強度。

模型采用圖4中所示的三階段形式，用相似度尺度的轉(zhuǎn)換率減小網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格密度，以方便模型與船舶進行相似分析。船舶板梁有限元對極限強度計算結(jié)果的影響。用殼單元定義有限元模型。同時，由于初始設(shè)計與網(wǎng)格間殘余張力存在著至少兩個不確定因素，邊界條件較好。兩層船模和沉積物模型的網(wǎng)格孔徑也相應(yīng)與船長比較，未考慮其影響。

展示凸輪軸繞油箱水平軸的彎曲和截面轉(zhuǎn)動曲線。在達不到極限強度的情況下，兩個模型與實船曲線基本一致，彎曲峰值接近于實船，最大誤差為4.5%，表明兩個模型都能測得實船的極限強度，模型承載力高于實船，模型的破壞速度也較慢。由于水平布置構(gòu)件如船底、甲板板、邊長等結(jié)構(gòu)件的相似性分析沒有考慮慣性矩。詳細說明如下：

兩級模型的生產(chǎn)需要7.68噸鋼，而生產(chǎn)儲存型則只需3.84噸。與雙層模型相比，插入模型的最小骨距為180 mm，比雙層模型的雙側(cè)骨距42 mm大，有利于模型的焊接過程，焊縫數(shù)量明顯低于纏繞模型，有利于控制焊接殘余變形和應(yīng)力?？傞L端強度試驗較適合單層模型

結(jié)論

通過對導(dǎo)出模型的分析，得到相似的設(shè)計條件、設(shè)計模型以及非線性有限元方法。

（1）基于簡支梁薄壁結(jié)構(gòu)理論，推導(dǎo)出軀干極限強度模型的設(shè)計條件：剪切模量對應(yīng)于相似數(shù)量級的換算比，而板厚 eel荷載大于材料屈服

（2）有限元分析三階段模型能較準確的模擬試驗載荷，避免了邊界約束對計算結(jié)果的影響。結(jié)果表明，該模型能有效地測定實際船舶的極限強度。但是，當兩個模型達到極限強度時，兩者的儲存量都高于實際船舶，這是相似理論引起的誤差。改變模型

（3）與此相比，單層模型鋼耗低、焊接距離大、焊接焊縫少、易控制的初成形、殘余電壓低等優(yōu)點。單層模型更適合于全船縱向強度試驗

在實驗室條件下，模型的相似尺寸相對較小，但數(shù)值分析表明，模型極限強度與實船極限強度的最大誤差為4.5%，說明模型設(shè)計是合理的。

參考文獻：

[1]馮亮，李東陽，史宏達，等. 船體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型簡化方法研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（10）：1-5.

[2]馮亮，李東陽，史宏達，等. 船體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型簡化方法研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（19）：1-5.