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船体加强筋板架侧向屈曲分析

倪晓峰  
【摘要】: 薄壁加筋板架结构是在实际工程结构中普遍采用的一种结构形式。船体主要是由该种板架结构组成的,对于船体极限强度的研究要建立在对板架力学性能研究的基础之上。加筋板架的失效形式很多,其中加强筋的侧向屈曲是非常重要的一种。因为一旦加强筋发生屈曲,整个加筋板架的面内刚度将出现急剧的下降,迅速丧失承载能力。因此加强筋的侧向屈曲对船体的极限强度有重要的影响。作为薄壁杆件,船体中的加强筋在总纵弯曲引起的轴向压力作用下可能发生绕定轴的侧向屈曲。在受轴向压力的同时,加强筋还有可能受到其他载荷的作用,包括由侧向压力和轴向压力偏心引起或相邻板架传过来的端部弯矩。本文在把加强筋与其附连板视为一体的基础上,用瑞利-里兹能量法推导出计算加强筋的侧向屈曲临界应力的广义特征值方程,使之包括了轴向压力、侧向压力和端部弯矩的影响。 船体结构中的加筋板在制造过程中,由于焊接和其他加工,会产生残余应力。本文采用了Faulkner残余应力模型来简化残余应力的分布,并根据Fujikubo和Yao等人的研究结果来处理腹板及翼板的残余应力。然后采用能量法重新推导了计算加筋板的侧向屈曲临界应力的广义特征值方程,使之计及残余应力的影响。从本方法的计算结果可以看出:残余应力会对加强筋的侧向屈曲临界应力产生重要的影响。 通常加强筋的附连板四周由加强筋支承,由于加强筋的临界应力一般设计成远大于附连板的临界应力,因此,当附连板发生弹性屈曲时,加强筋尚未屈曲,继续对附连板起着支承作用,并阻止附连板的弯曲和板的自由趋近。这使得加强筋的附连板屈曲后,附连板内的应力分布将发生变化,不再均布。本文根据Faulkner的假设,在推导加筋板侧向屈曲临界应力过程中也考虑了附连板屈曲以后应力分布变化的影响,使之更加符合实际加筋板的实际情况。 最后本文采用有限元软件MSC.Marc/Mentat对一T型加筋板模型进行分析计算。有限元与本文结果的比较表明了本文方法的合理性和可行性。


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