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轻量化船舶结构极限强度研究

尚高峰  
【摘要】:节能环保是当今人类社会的共识。为了提高船舶运输能效,规范和减少船舶二氧化碳排放,国际海事组织制定和批准了新船能效设计指数作为新船能效的衡量标准。采用轻量化船体结构材料,对于减少船舶自重、增加船舶载货量、提高新船能效设计指数具有重要意义。 钢夹层板是一种新的船体材料,具有重量轻和抗弯刚度高等许多优点,采用钢夹层板代替加筋板,有可能大幅减少船体结构重量。目前钢夹层板主要用于修船,尚未有完全采用钢夹层板建造的新船,其中一个主要原因是由于对钢夹层板结构力学特性的研究不够充分,缺乏合理的设计方法将钢夹层板与加筋板之间的强度完全等效。因此,有必要开展钢夹层板结构极限强度研究,建立钢夹层板船体结构极限强度计算方法。 本文采用理论研究、数值仿真和模型试验相结合的方法,对钢/聚氨酯/钢夹层板结构极限强度进行系统探究,取得了以下一些主要研究成果: (1)根据结构共同规范的指导原则,开发了船体梁总纵极限强度的计算方法和计算软件,通过箱形梁模型和实船结构极限强度的系列计算和对比分析,验证了计算方法和软件的合理可靠性,为开展钢夹层板极限强度对比研究奠定基础。 (2)在现有理论方法的基础上,通过对钢夹层板的力学特性分析以及典型边界条件的简化处理,首次提出了含三个广义变量的钢夹层板屈曲临界应力简化计算方法,将三个广义变量的偶合方程简化为两个广义变量的独立方程的求解,使得钢夹层板的理论求解简化为与薄板的经典理论求解相类似。 (3)开展了钢夹层板典型失效模式和极限强度的系列研究,初步建立了钢夹层板与加筋板之间极限强度等效的计算方法。数值算例表明,采用钢夹层板代替纵向加筋板后,在结构极限强度等效的情况下可以减轻结构自重,在结构重量相等的情况下可以提高结构极限强度。 (4)在国内首次开展了钢夹层板在侧向压力和双向压缩联合作用下的模型试验研究,进行钢夹层板理论简化计算结果、有限元计算结果及模型实验结果的对比分析,得到一些有实用价值的结论。


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