1、 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 T 型和矩形加筋构件对于船体甲板的屈曲分析的影响 1. 本文的研究背景及意义 船舶稳性是指船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后，能自动回复到原来平衡位置的能力。 船舶稳性研究是船舶行业中一个非常重要、非常复杂的课题。它是船舶最重要的性能之一 ,是船舶安全航行的基本保障 ,也是船舶检验的主要内容之一 ,其重要性显而易见。不少国家投入了大量的科研资金和科研人员积极展开这一领域的研究 ,以推动船舶稳性的研究进展。然而 ,船舶稳性研究又是相当复杂的。由于实际船舶航行于两种流体之间 的界面上 ,并且船舶稳性涉及环境条件、船舶技术条件和操作要素等许多因素
2、,故而稳性的改善可能又会导致船舶其它性能的恶化。因此这一方面研究虽有几百年的历史 ,至今还没有形成一个理论上成熟的综合考虑船型要素、环境条件和倾覆机理等因素的稳性衡准。目前 ,船舶完整稳性研究方法主要包括 :理论研究、模型试验和数值模拟。 稳性是确保船舶及各种海上浮体安全航行及作业的主要性能之一 ,目前世界各国都制定了相应的规则 ,作为船舶设计或航行中判断稳性的主要依据。但严格地说 ,这些规则的制定在理论上是不严谨的 ,有不少需进一步完善之处。主要在于船 舶及海上浮体在恶劣海况下发生大幅度摇荡运动而导致的倾覆现象极为复杂 ,人们对其倾覆机理的认识有一定局限性 ,加上新船型的发展以及新的海损事故
3、发生 ,提出了很多新课题。因此关于稳性的研究一直是船舶力学研究的热点。 ITTC(国际船模试验池会议 ) 专门成立了稳性专家委员会 ,组织各国研究人员进行深入研究。国际稳性会议每 4 年举行一次 ,及时交流各国关于稳性研究的成果。国内有关的大专院校及科研机构也在不断研究 ,人们对船舶倾覆机理的认识不断加深 ,不少成果已在稳性规则的修改中应用。但总体而言 ,仍有很多未解决的难点 ,有待人们深化研 究。 2. 船体屈曲的原因分析 当结构所受载荷达到某一值时，若增加一微小的增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，这种情况叫做结构失稳或屈曲，相应的载荷称为屈曲载荷或临界载荷。 结构的屈曲问题按结构屈曲
4、时的材料性质及工作应力水平，可将屈曲分为弹性屈曲、塑性屈曲和弹塑性屈曲。 目前，加筋板的屈曲强度分析己受到广泛重视。随着长时间的理论和经验的积累，研究人员在前人的基础上发展了各种各样的研究屈曲方法。我们可以将其研究方法归纳为四种方法： (1)理论解析法或半解析法； (2)有限元法； (3)实验法； (4)基于 实验结果或数值计算结果基础上的经验公式。 船舶中的加筋板通常受到组合荷载的作用，其中主要的荷载分量是轴向拉、压应力。习惯上，受轴向压应力作用的加筋板可能的破坏模式可以分为下列六类，即： 第一种：整体的弯曲屈曲。当加筋板的加强筋相对较弱时，加强筋会和船体板一起在弹性范围内发生弯曲屈曲，当然
5、，通常情况下，此时加筋板依然还能承受一定的载荷 (即所谓的板黔后屈曲性能，在这里暂不予考虑 )，直到截面中有更多区域达到强度屈服极限。在这个屈曲模式中，加筋板的性能类似于正交异性板。 第二种：在筋扳交界处材料达到屈服强度即认为材 料达到极限情况。这种屈服模式在双向压力作用下经常发生。 第三种：粱一柱屈曲。当筋条为对称结构，筋板刚度相差不是很大时，筋板易发生梁一柱屈曲。 第四种：加强筋的腹板的局部屈曲。当加强筋腹板的高厚比较大时易发生此种屈曲。 第五种：加强筋的侧倾。当加筋板的扭转刚度较小时易发生。 第六种：完全屈服。在这种极限状态下，整个加筋板截面都达到其屈服强度极限。 加筋板或者板格究竟出现
6、哪种模式的破坏，取决于在一定的应变条件下，各种破坏模式所对应的板格平均应力的大小、加筋板的几何尺寸和材料属性。 3.船舶屈曲的分析 董艳秋 ,纪 凯等人 1应用瞬时湿表面变化的时域分析法 ,研究了波浪中的船舶横摇稳性。给出了船舶在波浪中横摇稳性的计算方法以及波浪中稳性衡准的初步建议。 林焰、纪卓尚 2从船舶稳定性角度出发 ,研究了船舶在波浪中的横摇运动及其稳性 ,建立了单自由度的非线性横摇运动方程。 赵明秋，季凯朋等人 3本文通过分析重大件货物船舶浮态和稳性中各项关键参数的计算方法和过程，使我们更有效地监管和服务载运重大件货物的船舶 。 石明权，王丽筠，陈凯等人 4利用船舶原理对其稳性进行了比
7、较深刻的研究，确定了各稳性衡准参数的计算公式。 林洪波 5对滚装船、近海供应船、载驳船及浅吃水肥大船的船型特征和营运特点对其稳性的影响进行剖析 , 阐述了它们各自的稳性间题的特殊。 林焰和邢殿录等人 6应用 Liapunov 理论 ,研究了船舶在规则波浪运动的稳性 ;利用摄动理论 ,求解出船舶运动响应 ;并讨论了船舶横摇与垂荡运动频率、最大横摇角和波浪要素对稳性曲线 GZ的影响 ,以及流体动压力对稳性曲线的修正 ,从而给随浪中船舶稳性的计算提供了一种方法。 刘家新 ， 蔡岭梅 等人 7描述了船舶在突风及规则波共同作用下的非线性横摇运动方程，应用李雅普诺夫函数和实用稳定性理论，讨论了 方程的稳性
8、定 。 李子富 ， 张建兵 ， 唐海波 8对随浪中船舶大倾角横摇稳性的特点进行了介绍和分析 ,提出了一种新的研究船舶发生大倾角横摇时的稳性力臂的方法 ,在运用逐步逼近法计算每个横剖面的左右侧的浸深时 ,考虑了在横摇过程中由于船舶首尾不对称造成的纵倾对每个横剖面浸深的影响 ,以及横摇过程中所发生的纵倾运动对横摇稳性的影响 。 然后 ,根据随浪中重力与浮力平衡、纵倾力矩之和为零这两个条件 ,运用 m atlab数学工具语言的迭代算法求出了纵倾角 ,以及水线面修正层厚度 ,进而绘出了随浪中的稳性力臂曲线 。 最后 ,通过实例计算与分析验证 了该方法是可行的 。 Kure 和 Bang9研究了斜浪中的
9、稳性问题 ,他们把斜浪影响分成两个分量 :一个分量按随浪来计算 ,另一分量则看成船舶左右舷引起的压力差 ,从而可以归结为一个波浪扰动力矩。 Dorin 等人 10提出了各种造成船舶倾覆的因素如何依一定的概率组合在一起 ,造成可能的倾覆事故 ,从而确定船舶可能出现的危险的概率。 Martin 和 Kuo11应用李雅普诺夫处理动力系统稳定性的方法提出了用直接法来处理横浪 横风中和随浪航行时船舶稳性的思想。 田兴运 12引入参数来反映这 2 个因素的影响 , 并给 出了考虑这 2 个参数与规范形式一致的计算公式 。 以常用型钢截面为研究对象 , 探讨了参数对屈曲前变形压弯构件弯扭屈曲的影响 。 郭耀
10、杰 , 李昆 , 郭盛等人 13采用伽辽金法 , 通过对附加弯矩积分 ,得出附加弯矩对屈曲弯矩的影响形式 , 引入弯矩附加系数来反映这一影响 , 并在相关公式中给予反映 。 陈海啸 14主要对 T形截面梁的稳定性进行分析，先用能量法对单边固支的矩形板的屈曲系数进行推导，并用有限元程序 ANSYS进行验证。在此基础上基于一定的假定，采用迦辽金法对 T形截面梁在翼缘无拉力、纯弯、偏压等情况下翼缘对腹板的 约束系数 K进行理论推导，并运用 ANSYS中的 Shell181单元进行特征值分析。 党伟 ， 郝际平 等人 15介绍了单轴对称截面轴心受压构件的 2种失稳形式以及弯扭屈曲的计算方法 ,并进行了
11、试验分析 ,试验结果表明 :剖分 T型钢轴压杆有必要做弯扭屈曲验算 ,计算方法应采用换算长细比法 。 申红侠 16借助有限元分析软件对焊接 T形截面压杆的弯扭屈曲进行了几何非线性与物理非线性分析 ,考虑残余应力和几何缺陷的影响 ,并与 “ 规范 ”(GB50017 -2003)计算结果相比较。结果表明 :规范值和文中计算结果吻合较好 ,规范是合理的、安全 的、经济的。 王孟鸿 ， 郝际平 17从应用出发 ,结合轻钢规程 (CECS 10 2 98)有关规定 ,对腹板屈曲后强度设计进行了研究 ,并编制了相关计算机计算程序 ,与钢结构设计规范 (GBJ17 88)的有关条文进行了比较 ,讨论了轻钢
12、规程利用屈曲后强度时的构造要求 ,进行了算例数值分析 ,指明了轻钢结构设计利用屈曲后强度设计时应注意的问题。 陈绍蕃 18介绍轻型门式框架 I形截面钢构件腹板的设计原则和方法 。 首先从防止受压翼缘压入腹板来分析腹板高厚比的最大限值 ,其次分别论述腹板受剪屈曲后的极限剪力计算、受 弯或压弯屈曲后有效宽度的确定 ,以及正应力和剪应力联合作用下屈曲后相关关系的计算 。 贾连光 ， 许峰 ， 许伟 等人 19介绍了轻钢结构在我国的形成与发展 ,对目前国内外的研究成果及不足之处作了总结 。 阐述了我国现有的设计规范、标准对构件利用屈曲后强度设计方法的规定 ,指出了由于缺乏对轻钢结构设计方面 ,尤其对轻
13、钢结构利用腹板屈曲后强度构件 ,对整体结构稳定及变形影响的规定而引发的不利之处 。 提出了应建立考虑材料非线性和几何非线性的理论分析与计算方法 。 王承权 ， 代海波 ， 廖银波 等人 20分析高速船舶船体构件稳定性的影响因素 ,指出 屈曲准则具有复合型和时空性质 ,对实船失稳构件进行讨论 ,提出增强船体构件稳定性的措施。 4.总结 船舶的发展趋势是向大型化、轻型化、高速化和多样化发展，船体总强度问题愈益受到重视。长期以来，船体总纵强度采用经典的线弹性理论但近年来随着技术和理论的提高，极限设计方法正逐步被引入船舶设计领域，这使得船体屈曲问题变得越来越突出。 近年来，由于结构有限元直接计算技术的
14、较快发展和趋于成熟，在直接计算中已开始引入屈曲强度校核要求。同时，随着结构屈曲稳定理论和计算预报准确性的进一步发展，人们逐渐突破了线弹性范围内保守的结 论，开始引进了板格 “ 后屈曲特性 ” ，以期充分挖掘材料潜力、发挥结构的极限承载能力，也由此应运而生各种各样的屈曲强度设计衡准。 现代船舶结构屈曲强度评估方法由 3大部分组成，第 1部分为类似最小尺度要求的细长比要求，第 2部分为规范指定性屈曲要求，主要为基于应力的基本板格与筋条 /梁柱的抗屈曲要求、各种工况下船体梁构件、槽形舱壁总体屈曲、作为永久检验通道（ PMA）的大腹板加强构件和舱口盖等构件的抗屈曲要求等，第 3部分为利用直接计算进行强
15、度验证的有限元分析中的屈曲评估方法。在求解方法上，又可分为解析法或闭合公式法、半数值 法和（全）数值方法三大类。 目前，包括 CCS 在内的各大船级社正在对船舶结构屈曲强度方面开展了更深领域和多方面的研究，并取得了一些成果，如计入侧向载荷作用的其他高级屈曲闭合公式的研究和推出，以及非线性有限元极限强度分析方法规则的制订等。这些成果，促进了计算过程的便捷、计算结果的准确，推动了高级屈曲理论的工程实用化和理性设计。 参考文献 1 董艳秋 , 纪 凯 .波浪中船舶横摇稳性的研究 J.船舶力学 ,1999,3 (2) :1 - 6. 2 林 焰 , 纪卓尚 .船舶 在波浪中的横摇运动及稳性 J.中国造
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18、 ships and ocean vehiclesC. Glasgow ,England ,1975. 11 MARTIN J,KUO C.Ship stability criteria based on time 2 varying roll restoring momentsA.2nd International conference on stability of ships and ocean vehiclesC.Tokyo ,Japan ,1982. 12 田兴运 .屈曲前变形对压弯构件弯扭屈曲的影响 . 武汉大学学报 ( 工学版 ) J， 2010， 6（ 3） 13 郭耀杰 ,
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