1、本科毕业论文（20 届）船体带孔甲板的稳定性所在学院 专业班级 船舶与海洋工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文 目录2目 录摘 要 .21 绪 论 .41.1 论文研究的背景和意义 .41.2 国内外研究现状分析 .51.3 本文研究的主要内容 .62 甲板结构的稳定性分析 .72.1 结构的屈曲分析理论 .72.2 简单板架稳定性的解 .102.3 甲板开孔之力学机理 .132.4 甲板板架稳定性的检验 .143 板梁组合稳定性分析有限元方法理论 .163.1 有限元法基本简介 .163.2 有限元法的应用 .184 板稳定性算例与分析 .204.1 有限元模
2、型 .204.2 结果分析与讨论 .244.3 首部受力结果对比 .294.4 舷侧受集中力结果对比 .354.5 首部受集中力结果对比 .415 结论与展望 .475.1 结论 .475.2 展望 .47参考文献 .48致谢 .50外文翻译 .51本科毕业论文 摘要3摘 要甲板是内底板以上，封盖船内空间或将其分隔成层的大型板架。随着船舶的高速化和轻型化的趋势与技术日益更新，船舶建造分工越来越明细，对船舶各个结构，部件等研究分析更透彻。船舶结构稳定性问题是船舶结构设计中的一个重要问题。近年来, 随船体增大，强度，稳定性要求也随之提高，因此研究船体结构的稳定性尤为重要，具有重要的理论意义和实用价
3、值。本论文通过使用有限元软件对甲板的稳定性问题进行数值模拟分析，以及理论对比研究。文中主要针对受力方向不同对大开口甲板稳定性的影响展开了数值模拟。论文的研究结果将对于船舶甲板结构设计具有重要的指导意义。关键词 甲板；有限元方法；稳定性；加载方向本科毕业论文 摘要4Stability analysis of deck with holeAbstract The deck is the floor with the function of covering the space of the ship, which is above the inner bottom-plate. As high-s
4、peed and light of the ship, ship building is more and more detail, and the research and analysis of the ship structure is also more thorough. Ship structural stability is an important problem in ship structure design. In recent years, with the volume of hull increasing, strength and stability requir
5、ements for the ship are also improved. Thus, the study of the ship structural stability is very important, and it has great theoretical significance and practical value.By using the finite element software, the numerical simulation of stability of the ship deck and the corresponding theoretical comp
6、arison will be carried out. The main contents of this thesis include the analysis of the effect of the large hole on the stability of the ship deck with the different loading direction. These results of this thesis are of great guiding significance for designing of the ship deck.Key words deck; fini
7、te element method; stability; loading direction本科毕业论文 正文51 绪 论1.1 论文研究的背景和意义船舶因其运输能力强、经济性能好等优点于近年来得到了迅猛发展。在船舶与海洋结构物的设计制造及使用过程中，对结构强度的正确评估是一项关键技术。为了使船舶可以在各种工况下正常使用，或者在特殊情况下仍能保持船体结构的完整性，船体结构必须具有足够的强度。正确地评估船舶在设计制造和使用过程中的结构强度，有助于有效利用材料，减轻船体结构重量，降低建造成本，增加装载能力，从而提高船舶地经济性和安全性。开孔桁材是工程中一种常见的重要结构，广泛的应用于机械、建筑、
8、船舶和航空以及压力容器等领域中。在船舶结构的设计和建造过程中，为了减轻结构重量，方便人员检查维修出入，利于空气和液体的自由流动以及各种骨材、电缆、管道的贯通，常在船体构件上设有许多不同形状和尺寸的开孔，开孔的长度最大可达构件腹板高度的50以上。统计资料表明，船舶结构中许多破坏是发生在开孔附近区域，由于开孔而产生的应力集中并由此而降低结构的承载能力所导致的。为降低开孔对船体结构造成的不利影响，各国的船舶结构设计规范都对开孔的部位以及开孔的尺度做出了一些强制性规定，比如避免在高应力区域开孔，在强横梁、桁材、强肋骨和实肋板等构件上开孔的直径不能超过其腹板高度的一半，等等。对于开孔对构件的强度所产生的
9、影响，开孔后的应力分布情况，是否需要在结构开孔处进行加强以及采用何种加强方式等等，对这些问题进行研究也是十分有意义的。特别是当结构开孔的参数超出规范规定时，必须通过数值计算和模型试验分析等手段进行相关的研究，以确保结构设计的安全性。所谓结构稳定性系指在承受载荷时可以保持结构初始形状的能力，而屈曲系指结构从初始形状向其他形状的突变，这时的平均应力称为屈曲应力或临界应力。研究板的稳定性就是要找出作用于结构内部抵抗力之间的不平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，求出其屈曲临界应力，从而设法避免进入该状态。便于在工程设计计算中应用。船舶结构稳定性问题是船舶结构中的重要问题，历来受到船舶结构力学工作者的高
10、度重视。近几十年来，船舶排水量不断增大，为减轻船体结构重量，满足强度要求，多采用高强度钢，船舶结构构件的剖面尺寸相对减小，结构刚度相对降低，结构稳定性问题显得更为突出。结构屈曲指结构从初始形状向其他形状的突变，也即结构的稳定性。此时的平均应力为临界应力，它取决于结构的尺寸、形式、边界条件、材料和本科毕业论文 正文6所受压力分布模式。研究结构的稳定性就是要求出其临界应力，并使该值不小于其所受的压应力，使结构能正常工作。当船舶在海上航行时，其甲板主要是受轴向力的作用。一般情况下，由于甲板开口及双层底等原因，舯横剖面的中和轴位置偏下：中垂状态下，甲板承受较大的总纵弯曲轴向压力，可能丧失其稳定性；一旦
11、甲板板架丧失稳定性，势必导致整个船舶结构的破坏。因此，研究甲板板架的稳定性具有重要意义。1.2 国内外研究现状分析 早在1932年，Karman就提出了板的有效宽度的概念。对于分析受压板的屈曲和后屈曲状态而言，有效宽度的概念是十分有效的设计方法。在预测板的极限强度方面，有效宽度概念也被广泛的应用一直到80年代，Ueda et al推导了受双轴压应力、剪应力、并考虑初始变形和焊接残余应力情况下的板的有效宽度的计算公式。Paik et al导出了有效宽度的解析计算公式，并建议在船体板格极限承载能力分析中采用他们给出的解析公式。这个板的有效宽度的理论计算公式乃是基于板的大挠度理论方程式，求解过程中考
12、虑了初始变形及焊接残余应力的影响。国内的研究者，在这方面研究的并不多，崔维成、徐向东等做过这方面的研究。遗憾的是上述各种方法在相同结构、相同载荷情况下所求得的极限强度值相差较大，这种差异的主要原因大致可归结为：1)破坏模式考虑不全；2)板的有效宽度的选取不够合理；3)初始缺陷没有考虑或考虑不当；国外很多的研究者，如Yoshike et al；Fujita ct a1 ；Yao et a1 ，针对具体的板材，已经提出了带有开孔的板的屈曲强度的研究。船级社同样把由于开孔而造成的屈曲强度的降低作为一项研究工作。现今，船级社关于船体板的弹塑性屈曲强度的计算都是通过一种修正的方法，把塑性屈曲强度用弹性屈
13、曲强度来衡量，这就是JohnsonOstenfeld公式。作为研究工程的一个部分，Nippon Kaiji KYOKAI在回顾船体结构规章时候，作者做了一系列用有限元模型对开孔矩形板的屈曲强度和极限强度分析。M Harada，M Fuikubo在这方面做了一系列的研究工作，首先研究了一系列的四边简支的带开孔板的弹性屈曲特征值分析。并在这个结果分析的基础上，用回归分析的方法，得出由于开孔导致矩形板的弹性屈曲强度的折减系数的估算公式。在这以后，作者研究了带开孔矩形板的塑性屈曲强度分析，他们主要的工作是用一个非弹性修正的方法来修正弹性屈曲强度，在其中使用了未开孔板的弹性屈曲强度和整个板材的屈服极限。
14、然而，他们认识到，当板厚以及开孔的尺寸很大的时候，开孔区域有效宽度本科毕业论文 正文7部分的屈曲可能并未发生，就已经发生了塑性崩溃。因而，非弹性修正的方法不能用于解决这类问题，为了处理这个问题，他们考虑了开孔部分有效宽度，提出了新的塑性修正方法。M Harada，M Fujikubo研究了带开孔的矩形板，船体桁材腹板加筋情况下，屈曲和极限强度分析。他们首先通过一系列的有限元分析，计算了四周简支的带开孔桁材腹板，在受到压缩和剪切情况下弹性屈曲特征值分析。在有限元分析的基础上，非开孔部分的板材对开孔部分的限制作用被考虑在内，并在此基础上提出了弹性屈曲特征值的估算公式。在这以后研究了，桁材腹板中取出
15、的腹板在开孔情况下加筋，其弹塑性大变形分析，以及屈曲塑性崩溃行为，并在此基础上提出了估算极限强度的分析公式。关于船体桁材在受到剪力作用下的强度，Wagner在1931年提出了关于它的应力理论，并且直到20世纪60年代，还以弹性屈曲强度作为设计的标准。自从20世纪50年代后期起，Basler和Thurlimann对于桁材腹板的后屈曲性能做了系列研究工作。作为对他们研究工作的采纳，美国钢质结构研究所(AISV)，首先在其规范中规定用后屈曲强度进行设计。此后，一系列研究者对后屈曲强度进行的研究，研究的主要焦点集中在翼板对于腹板的支持效果的选取上，Basler和Thurlimannl 认为该效果更贴近
16、于简支，Chem和 Ostapenko认为边界条件是介于固支和简支中问的一种情况。AISC(1989)和AASHTO(1996)采用简支的情况。关于船体桁材在受到剪力作用下的强度，Sung CLee和 HYoo，1998年曾经专门做过研究，他们使用有限元软件的分析了受到纯剪切作用下，对有垂直加强筋加强的桁材，进行了非线性分析。对于一个桁材的跨距而言，由于翼板屈曲而产生沿横向的压力通常情况下都远于同条件下的剪应力。因此，一般情况下，桁材腹板的厚度都小于翼板的厚度。反过来说，实际中在一定的剪应力作用下，桁材腹板最危险，最有可能达到屈曲状态。腹板一般都会有垂直加强筋对其屈曲强度进行加强。作者主要做了
17、以下工作，首先在弹性屈曲的分析上得出弹性屈曲应力的临界值；在对剪切强度的后屈曲研究，分析剪切极限强度，并给出设计公式。1.3 本文研究的主要内容 （1）对板屈曲模式的一个汇总，并且对每种屈曲模式下计算他们的公式及理论的归纳与比较。（2）板的稳定性分析的有限元方法理论。主要针对有限元在稳定性分析中的方法以及相关的有限元软件展开讨论。（3）板稳定性分析的有限元计算，不同方向均布载荷对临界应力的影响。本科毕业论文 正文8（4）板稳定性分析的有限元计算，不同方向集中力对临界应力的影响。（5）板稳定性分析的有限元计算，集中力与均布载荷对比。2 甲板结构的稳定性分析2.1 结构的屈曲分析理论2.1.1 屈
18、曲分析的概念屈 曲 分 析 主 要 用 于 研 究 结 构 在 特 定 载 荷 下 的 稳 定 性 以 及 确 定 结 构 失 稳 的 临 界 载荷 ,屈 曲 分 析 包 括 : 线 性 屈 曲 和 非 线 性 屈 曲 分 析 。 线 弹 性 失 稳 分 析 又 称 特 征 值 屈 曲 分析 ; 线 性 屈 曲 分 析 可 以 考 虑 固 定 的 预 载 荷 ， 也 可 使 用 惯 性 释 放 ； 非 线 性 屈 曲 分 析 包括 几 何 非 线 性 失 稳 分 析 , 弹 塑 性 失 稳 分 析 , 非 线 性 后 屈 曲 分 析 。所谓稳定性的等强度设计就是依据强度的要求进行构件的稳定性设
19、计。在外力作用下,让构件的失稳和强度破坏同时发生。具体地说,对于艏、艉区域强力甲板构件稳定性的等强度设计,就是使稳定性设计的临界应力等于甲板局部强度的许用应力。对于船中区域强力甲板构件而言,所谓稳定性的等强度设计,就是在校核船体极限强度的时候,让依据甲板稳定性设计的临界应力,经计算得到的极限弯矩,与静水弯矩和静置于波浪上的附加弯矩及其砰击振动弯矩之和的比值,等于规范所要求的最小极限强度储备。2.1.2 基于渐近理论的相关屈曲钢构件局部与整体弹性相关屈曲的理论分析主要有近似法和数值法两大类.近似法的基础是有效宽度法,即根据短柱截面有效宽度概念和公式,结合柱稳定承载力公式确定极限荷载. 采用有效宽
20、度法计入板件局部屈曲对整体稳定的影响,体现了局部与整体屈曲的相关关系, 但并不全面, 因为整体构件对其组成部分也有反作用.实际构件存在初始缺陷,整体与局部相关屈曲的关系为整体缺陷促使局部提前屈曲,局部屈曲反过来又使整体较早丧失承载力.数值方法主要有有限元和有限条法. Rajasekaran 等人用有限元方法研究了宽翼缘钢梁柱弹性相关屈曲问题,分析结果表明, 对弹性范围内的宽翼缘截面,局部与整体相关作用不明显; Johnson 等人用有限元法研究了工形梁考虑横截面畸变效应的侧扭屈曲问题,其方法可以处理任意荷载和边界条件。Hancock 用有限条法分析了简支工形梁弯矩作用平面内的局部与整体相关屈曲
21、,有限条法虽不如有限元法具有一般性,却可以降低计算量.本科毕业论文 正文9上述局部整体弹性相关屈曲研究表明,当不计初始缺陷时,相关作用不明显,这一结论为相关屈曲深入研究奠定了基础.2.1.3 板的横向面内载荷和侧向压载当板主要受到横向面内载荷 ( = =0)，侧向压载 是次要载荷时，加筋yavxavp板的应力分布图如图 2-1 所示。图 2-1 板的横向边中部在 和 组合载荷下出现塑性（C：压力，T：拉力）yavp与受纵向面内载荷和侧向压载相同方法大变形正交异性板理论的非线性控制方程求得。最早屈服的是横向板边的中部，受到横向面内载荷 和侧向压载 的船体板yavp架极限强度用以下公式表示：(2-
22、1)012maxaxmin2in2 oeqyoeqyoeqxoeqxu此方程关于 的解就是正交异性板受纵向面内载荷的极限强度值 。yav yu2.1.4 面内载荷、剪应力和侧向压载的组合载荷基于 Paik(1999)的数字结果研究，Paik 提出以下等式用来计算在面内载荷、剪应力和侧向压载的加筋板的极限强度。(2-2)1222 uavyuavyuavxvxuav 式中， ， 是分别求出的。如果 ， 是都是压力，则 。如果y xav 0， 其中有一个或两者都是拉力，则 。xavy 1本科毕业论文 正文102.1.5 非弹性修正以上的屈曲应力的求解都是在材料弹性范围内的结果。事实上，在失稳时材料可
23、能已超过弹性范围，并且实距表明超过弹性范围时的失稳载荷远小于所得的理论欧拉临界载荷，为此就有必要寻求超过弹性范围的失稳载荷，即研究非弹性稳定性问题。非弹性修正公式的提出，是从简单的压杆问题分析入手推导出来的。压杆的非弹性稳定性问题可以用实验或理论分析方法来解决。实验方法就是通过不同材料的尺度的压杆稳定性试验得出一条失稳压力与杆件尺度间的关系曲线。在一般工程结构中，这种曲线常用杆件的柔度兄为横坐标，失稳应力为纵坐标，称为“柱子曲线”(column curve)。非弹性稳定性的理论分析法有好几种，其中最简单的是“切线模数理论”。用这个理论处理非弹性稳定问题时仅需将弹性范围公式中弹性模数 E 非弹性
24、阶段应力一应变的切线斜率、即材料的“切线模数” 来代替。于是两端自由支持的压杆，dEt/临界应力的公式为：(2-3)22ttcrAlIT这个计算公式与材料的应力一应变曲线 相配合就可以确定临界应力。具体的做法是先由 曲线上依次找出不同 值与相应的 ，再代入tE(2-3)中求出对应的 。按这个方法计算临界应力，对于一定的材料，必须具备应力一应变曲线。进一步的研究发现，一般钢材按切线模数公式所得到的柱子曲线的 AB 段(图 2-2)可用二次抛物线作较好的趋近，即我们可假设曲线 AB 的方程为:(2-4)2bacr式中系数 a, b 可根据下列条件求得=0 时， = ， = 时， =crypcrp此处， 为比例极限，并且 ，由此可解得pE2
