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集装箱船船体结构极限强度研究

师桂杰  
【摘要】:在过去的几十年中,船舶事故的危害严重,几们对船舶结构极限强度的认识越来越深刻。船舶结构极限强度是衡量船舶最大承载能力的真实评估方式,超过极限强度之后船舶会发生崩溃破坏。极限强度计算可以考虑材料的弹塑性、初始变形和焊接残余直力等等众多影响因素,确定结构的真实安全冗余度。 集装箱船的载货量不断提高,高强度钢的直用越来越广泛,船舶结构的直力水平比过去明显提高。但相比普通钢,高强度钢仅仅是屈服强度有所提高,它们抗疲劳、抗腐蚀的能力并没有相直地提高。需要分析含裂纹和腐蚀损伤的船舶结构的剩余极限强度,这也是当今船舶力学界迫切需要解决的课题之一。 针对集装箱船船体结构的极限强度问题,本文完成的主要工作有: (1)系统归纳总结船舶结构极限强度的研究方法,评述含裂纹和腐蚀损伤船舶结构剩余极限强度的研究进展,阐述船舶结构极限强度研究的重要意义。 (2)基于薄壁结构力学,推导出弯曲极限强度试验的相似模型设计条件,设计出某3100TEu集装箱船的相似模型,在剖面特性、弹性强度、屈曲强度和极限强度方面,验证了模型和母型船的相似性。 (3)在弯曲相似模型设计条件的基础上,推导出扭转极限强度相似模型的设计条件,建立弯扭相似模型设计的优化数学模型,找到满足约束条件的模型构件尺寸。利用非线性有限元法,验证了模型和母型船在弯扭极限强度方面的相似性。 (4)完成总纵极限强度的模型试验,验证了数值计算方法的有效性,实际观察模型的真实破坏过程,测量出模型的中拱极限强度,分析试验过程中模型骨材和板格的变形和直力。利用ABA0us软件近似模拟模型的焊接残余直力和初始变形,分析初始缺陷对模型极限强度的影响,然后对比模型试验结果。 (5)分析裂纹损伤对闭口箱型梁扭转极限强度的影响。以裂纹类型、裂纹长度、裂纹位置和箱型梁的壁厚为主要参数,考察裂纹损伤对闭口箱型梁扭转极限强度的降低作用。基于数值分析结果,归纳出一个简化计算公式,预测含裂纹损伤的闭口箱型梁的剩余扭转极限强度。 (6)分析含裂纹损伤的开口箱型梁的扭转、压缩、弯曲以及这些载荷组合作用下的极限强度。以裂纹类型、裂纹长度和裂纹位置和箱型梁的壁厚为参数,考察裂纹损伤对开口箱型梁极限强度的降低作用。基于数值分析结果,归纳出简化计算公式,预测含裂纹损伤的开口箱型梁在单一载荷或联合载荷作用下的剩余极限强度。 (7)研究裂纹和腐蚀对集装箱船总纵极限强度的影响。参考IAcs《集装箱船检测、评估和维修指南》,选取具有代表性的七种裂纹形式,分析裂纹对集装箱船极限强度的影响,提出用剖面模数的变化评估裂纹损伤对集装箱船总纵极限强度的降低作用,归纳出简化计算公式,预测含裂纹损伤的集装箱船的剩余极限强度。参考ABs,ccs和DNv船级社规范,假定它们规定的腐蚀余量为集装箱船最严重的腐蚀工况,分析均匀腐蚀对集装箱船剩余极限强度的影响。 本文研究的刨新性可以总结为以下三个方面: (1)利用优化方法设计出某集装箱船的弯扭极限强度相似模型,完成了集装箱船总纵极限强度模型试验,总结了模型构件的失效模式和失效顺序,验证了热直力分析法近似模拟试验模型的焊接残余直力和初始变形的有效性,用弧长法准确地追踪模型的极限强度和完整破坏过程。 (2)提出预测含裂纹损伤的闭口和开口箱型梁剩余极限强度的简化计算公式,分析在扭转、压缩、弯曲或组合载荷工况下裂纹对箱型梁极限强度的损伤情况,研究中心裂纹、双边裂纹和单边裂纹对极限强度的影响,评估裂纹损伤对闭口和开口箱型梁极限强度的降低作用。 (3)提出用剖面模数的变化评估裂纹损伤对集装箱船总纵极限强度的降低作用,归纳出预测含裂纹损伤集装箱船的剩余极限强度的简化计算公式,从腐蚀的角度提出老龄船舶的中拱工况更加危险。当裂纹发生在高于船舶横剖面中性轴的位置,用甲板剖面模数的变化评估裂纹损伤对集装箱船极限强度的影响;而当裂纹发生在低于船舶横剖面中性轴的位置,用船底剖面模数的变化评估裂纹的损伤作用。均匀腐蚀对中拱极限强度的降低作用最大,其次是船底剖面模数,然后是中垂极限强度,降低作用最小的是甲板剖面模数


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