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大跨度甲板的极限强度研究及可靠性分析

潘曼  
【摘要】:航空母舰、攻击舰、大型滚装船、客滚船和油船等船舶通常包含纵向贯通的大舱结构,舱室内部未布置横向围壁和支柱等支撑结构,使得舱室的顶层甲板成为大跨度甲板。大跨度甲板不仅作为运输甲板承受车辆运输、飞机起降或甲板上浪的载荷,而且又作为强力甲板经受巨大的总纵载荷,其极限承载能力比常规甲板有更高的要求。此外结构的材料属性、尺寸、载荷等各种不确定因素的影响,使得基于可靠性理论的船体结构评估方法越来越得到重视。然而,当前国内外的相关船体规范针对大跨度甲板的极限强度和可靠性尚未有特定的分析指南。本文通过非线性有限元模拟和试验方法对大跨度甲板的极限强度开展分析和研究,并基于可靠性理论对大跨度甲板进行了失效概率和敏感性参数分析。确定性方法和概率方法的结合,为新型大跨度甲板结构的合理化设计提供了有意义的参考,主要的研究内容和成果包括:(1)采用板架稳定性理论和“多跨”失稳的理念,对“细长”大跨度甲板进行稳定性分析,综合屈曲强度的要求和结构重量最小的目标,确定了纵骨和强横梁最优的组合方式。针对该骨材组合,将大跨度甲板离散成加筋板,采用解析方法计算其在不同破坏模式下的压缩极限强度,其最小值即为结构的临界应力,为强度评估提供依据。(2)通过与经典试验案例的比较,总结大跨度甲板极限强度的非线性有限元模拟方法,进而分析和总结了强横梁结构型式、甲板跨度、侧向载荷、永久塑性变形和局部开口等因素对大跨度甲板极限强度的影响,确定了合理的甲板结构型式。(3)针对合理的甲板结构,制定并实施了大跨度甲板纵向极限强度研究的试验方案,包括模型设计、加载设计、试验流程及结果处理等。对比和验证有限元分析及试验的结果,得到合理的有限元及试验方法;进一步地,提出了实际甲板极限强度的预报方法,解决了相似理论不能应用于非线性问题预报的局限。(4)结合可靠性理论和有限元方法,建立大跨度甲板结构的极限状态方程,编写Fortran子程序,分别采用改进的二蒙次阶矩法法一和特卡罗计算基于甲板极限强度的可靠度指标和敏感系数;并根据不同失效概率时的局部安全因子提出了结构可靠性的校核公式,能直接计算给定载荷时结构的安全水平是否满足要求,在结构设计和工程中的具有实用价值。


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