1、本科毕业论文（20 届）船体结构加筋板的屈曲分析所在学院 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 目录目 录摘 要 .11.绪论 .31.1 立题背景和意义 .31.2 船体结构加筋板屈曲计算方法研究现状 .31.2.1 经验公式法 .41.2.2 有限元法 .41.2.3 理论解析法或半解析法 .51.3 本文研究的主要内 容 .102.加筋板屈曲分析的经验公式法 .112.1 整体加筋板格屈曲 .112.1.1 最小横向刚度 .112.1.2 整体板格屈曲计算 .122.2.纵向加筋板格屈曲 .122.2.1 最小纵向刚度 .122.2.2
2、 纵向加筋板格整体屈曲计算 .132.2.3 细长体纵向加筋子板格极限强度计算 .132.2.4 加强筋扭曲(Tripping)失稳计算 .142.3.纵向加筋子板的极限强度分析 .163.船体结构加筋板屈曲分析的有限元法理论 .173.1 基本原理 .173.2 基本思路 .173.3 有限元建模要求 .183.4 有限元模型性能指标 .193.5 有限元法的应用 .194.船体结构加筋板屈曲的 PATRAN 建模与分析 .244.1 建模步骤 .244.2 建模关键问题 .244.3 算例 .244.3.1 基本模型 .244.3.2 屈曲模式分析 .254.3.3 临界应力求解 .254
3、.4 结果分析与讨论 .294.4.1 基本模型 .294.4.2 对比研究 .37本科毕业论文 目录- 2 -5.结论与展望 .45致谢 .47参考文献 .48本科毕业论文 摘要1摘 要船体结构稳定性一直都是船舶设计中的关键，加筋板是船舶结构的主要组成部分之一，对船舶的安全性，经济性有重大影响，因此对加筋板屈曲的研究是十分重要的。目前对加筋板的屈曲分析，主要有三种方法：基于实验结果或数值计算结果基础上的经验公式法；有限元法；理论解析法或半解析法。本文主要用 Patran 针对不同构造的加筋板进行计算对比，得出不同因素如板宽、板厚、网格划分、加筋形式、开孔、载荷对加筋板屈曲的影响。论文的研究结
4、果可方便地应用于加筋板结构的设计和强度校核。关键词 船舶结构；加筋板；屈曲；有限元法；Patran本科毕业论文 摘要2Buckling analysis of stiffened plates of hull structure Abstract Hull structure stability is always the key of ship design. Stiffened plate is the main component of ship structure, and has a major impact on ships safety, economy. So the buck
5、ling of stiffened plate is very important. At present the buckling of stiffened plate has three ways: The experience formula based on the experimental and numerical calculation results; finite element method; theoretical analytic method, or so called the semi-analytical method. This articles main co
6、ntents are the comparison for stiffened plates with different structures by Patran software. The different buckling modes are obtained for stiffened plates with different factors such as plate width, thickness, grid partition, stiffened form, opening and load. The results can be used in stiffened pl
7、ate structure design and strength check expediently. Key Words ship structure；stiffened plate； buckling；the finite element method；Patran本科毕业论文 正文31.绪论1.1 立题背景和意义结构的屈曲分析是强度理论的分枝之一，对结构的安全性是很重要的。而现在飞速发展的科学技术和涌现出来的高强度材料，材料的强度已经不是主要关心的方面了，而且拉应力作为主要研究方向的也不是很重要了，而是侧重压应力为主，在结构设计中显得重要了起来。在建筑、桥梁、航空和海洋工程中都面临着这
8、一课题。在保证安全的情况下，最大限度降低材料的消耗，成为了结构设计工作者的一个重要课题。所以在符合结构设计的功能要求、保证结构的安全前提下，每一个设计工作者都在追求如何最大限度地节省材料。因此急需研究人员提供一个精确，实用且与理论结果相接近的研究方法。船体结构设计中的稳定性研究很重要，船舶结构力学工作者一向高度重视。最近几年，船舶排水量越来越大、船体结构重量反而越来越小，在强度的要求下，高强度钢被运用的很多。船舶结构构件的剖面尺寸越来越小，结构刚度越来越低，结构稳定性问题显得尤为重要。结构稳定性是指在承受外力荷载时能够保持结构初始形状的能力。屈曲是指结构从初始形状向其他形状的突变。此时的平均应
9、力称为屈曲应力或临界应力。它取决于结构的尺寸、形式、材料和所受压力分布模式和边界条件。研究结构的屈曲就是要求求出临界应力，并使该值不小于其所受的压应力，使结构能正常工作。船体结构的屈曲分析，一般要求计算结构的临界应力。加筋板结构可以节省大量材料，而且还能保证结构实用性和安全性，提高了结构的效率和经济性，在海洋工程，土木工程，航空工程，能源工程，桥梁工程等等的工程领域中被广泛应用。如何快速预估结构的承载能力，合理地对船舶结构进行设计，渐渐成为船舶研究的一个热点之一。1.2 船体结构加筋板屈曲计算方法研究现状当结构承受的载荷到了一个特定值时，只要增加一个小小的位移，结构就会发生很大的形变，这就是结
10、构的屈曲，相应的载荷被称为临界载荷。结构的屈曲按材料性质和工作的应力水平，可将屈曲分为弹性屈曲、塑性屈曲和弹塑性屈曲。弹性屈曲-结构屈曲前和结构屈曲后仍在小变形范围内处于弹性状态时，称之为弹性屈曲；塑性屈曲-发生屈曲时结构在塑性应力状态，称之为塑性屈曲；弹塑性屈曲- 介于弹性屈曲和塑性屈曲中间的一种屈曲形式，屈曲前结构处于弹性应力状态，屈曲时因为扰动变形使本科毕业论文 正文4一部分材料进入塑性，屈曲后材料处于弹塑性应力状态。近二十年来，广大造船工作者在板架和加筋板稳定性的计算方法、试验研究等方面做了不少研究。目前对加筋板的屈曲分析，主要有三种方法：(1)基于实验结果或数值计算结果基础上的经验公
11、式。(2)有限元法；(3)理论解析法或半解析法；1.2.1 经验公式法Chapman 和 Smith（1991）等人通过大量测试获得了加筋板的经验公式。西原诚一郎（Nishihara）经过大量的理论分析和实际实验测试，在 1983 获得了经验公式关于局部和总体破坏。Lin（1985）基于前人的实验数据，提出了对加筋板极限强度进行预报的参数表达式，主要参数为加筋间板的细长比 和加筋板梁柱细长比 ，经过有限元分析后，提出了计算加筋板极限强度的公式。Paik（ 1997）注意到 Lin 所用数据局限在大尺寸加筋板，具有较小的梁柱细长比的加筋板，当 1 时明显偏小。Paik 利用 1 的实验结构，使用
12、与 Lin 类似的表达式，提出用于预估加筋板极限强度的公式，改善了对 1 的结构预估性能。Paik 的表达式也有缺陷，加筋扭转屈曲的参数高厚比没有被考虑，而发生这类破坏时，另两类破坏的极限强度一般大于此类破坏，因此 Paik 公式预估的此类破坏极限强度值过高，也没考虑焊接残余应和初始缺陷的影响。事实上，船体结构加筋板的受力情况很复杂，除了由于总纵弯曲而产生的纵向压力以外，还有水的横向压力。为了更加精确的分析加筋板的屈曲，必须考虑其所受到的全部载荷，Yao 等人在这些方面做了大量实验。由于加工制造等原因，船体结构中必然存有初始缺陷，往往降低了结构的承载能力。因此在对加筋板进行屈曲分析时也必须尽可
13、能的考虑初始缺陷的影响。各船级社规范中给出的加筋板极限强度的表达式，大多数也是经验公式。1.2.2 有限元法考虑到非线性有限元数值计算方法的规模，学者们研究出了大量半经验半解析方法以减少单元的划分，改进单元性能和减小计算复杂性。Ueda （ 1991)等根据板梁、加筋板单元的非线性特征发展了理想化单元 ISUM（Idealized Structure Unit Method）法。该方法中考虑了单元的材料非线性和几何非线性，以及初始缺陷对加筋板极限强度影响。Bai 和Bendiksen（1993 ）推导出了改善的用于加筋板有限元分析的新方法。Paik（2000）开发出了可以简单、快速、有效计算加
14、筋板在组合载荷作用下的极限强度的 ALPS/ULSAP 程序，并把本科毕业论文 正文5初始缺陷也给考虑了进去。其他的学者们也采用了有限元法和有限差分法计算加筋板的极限强度。下面我们简单介绍下：Crisfield（1975 ）对单向加筋板做了非线性有限元计算，并应用到对单向加筋板的总体分析中去。Mukhopadhyuy（ 1990）提出一种新方法，对加筋板的弯曲、振动和稳定性进行分析，突出点是可以对任何形状的边界进行处理。Kakal（ 1990）用有限元法计算了加筋板屈曲，对单向加筋板来说是一个有效的方法。章向明、施华民、工安稳（1999）提出了对偏心加筋板进行几何非线性分析的理论公式和相应的有
15、限元计算模型。考虑到大变形的影响，在板和筋的运动方程中引用 vonKarman 形变关系，并按照 MindIin 的板理论对横向剪切变形的影响进行评估。他们的模型适合于薄板和厚板的几何非线性分析。许多文献中都提及有限元分析采用通用结构的有限元分析软件。这种基于通用软件的有限元法可以被运用到对各种复杂和不规则的板架进行计算，并且可以将实际存在的复杂因素列入考虑范围。除了通用有限元程序，在结构非线性分析中，NASTRAN、ANSYS、 ABAQUS 等也发挥极大的作用。考虑到船体结构的特点，船体结构与有限元法相结合的专用有限元程序，在建模灵活性和规模大小上各自有自身的优势。如 ABS 发展的 US
16、AS (Ultimate Strength Analysis of Structures)系统，能运用于板、筋和正交异性板三类单元，并可考虑弹塑性和几何非线性的影响，只是不能考虑焊接中的残余应力影响.1.2.3 理论解析法或半解析法Timoskenko（1936 ）和 Sleich（1965）比较早的对加筋板的屈曲进行了研究。他们分别用能量法求解不同加筋数量、加筋位置的加筋板的临界应力。加筋板发生局部屈曲时，可将屈曲后的板按折减宽度计入到梁剖面中，然后就可以按交叉梁系对其进行整体的屈曲计算了。Chang（ 1969） 、Faullaier（1975, 1973）等计算了不同情况下交叉梁系的板架
17、发生总体屈曲时的临界应力，他们将交叉梁系转化到支持在一系列弹簧上的连续梁上，采用振动比拟的方法来求其自振频率，从而得到临界应力值。Tvergaard（1973）在理论上对单向加筋板局部和整体屈曲的相关问题进行了研究，他认为：传统上的观点：加筋板局部屈曲和整体屈曲共同发生时，加筋板达到设计最优点的观点是错误的。因为那时的结构存在很大的缺陷，导致了加筋板的承载能力大幅度降低的问题。 Jobnston（1970 ）对整体加筋板格屈曲强度进行了计算，而且也提出了加筋板所需最小横向刚度。Smith（ 1977）建立了屈曲或屈服破坏连续失效模型，用来反映加筋板失效的全过程通本科毕业论文 正文6过加筋板在失
18、效区域的载荷-端部曲线。Fujuta（1977,1979）基于可能的失效力学模型，刚塑性分析和弹性大挠度理论，提出了可对加筋板屈曲强度进行计算的简化公式。在这种方法中，由弹性位移和刚塑性位移的交点值来确定极限压缩强度。该方法比有限元方法更简单、有效，且结果令人满意，比经验公更合理并能详细了解结构失效行为的本质，因而该方法受到较多人的关注。大致的可将各种简化公式归纳为两类：Johnson-OstenFeld 法和 Perry-Robertson 法。Johnson-OstenFeld 法对具有高弹性屈曲强度并且尺寸较小的加筋板能够近似地考虑塑性的影响，而 Perry-Robertson 法则将板
19、筋作为梁柱，当最大应力达到材料屈服强度时则会失效。它主要包含两种失效模式：板诱导失效和加强筋诱导失效。Paik（1987,1999）采用 Galerkin 的增量法来求解加筋板的大绕度非线性方程，他把板的初始挠度也考虑在内，未考虑焊接残余应力的影响。2001 年的时候，他考虑了几何和材料双重非线性的问题，该方法也被运用到对多种载荷作用下的加筋板的极限强度进行计算。Haghes（ 1988）提出用梁柱方法计算加筋板极限强度。将加筋板的失效分为板先破坏、加强筋先破坏、板筋同时破坏三类。相当梁柱参数可以通过加筋板几何参数和船体板的屈曲折减系数进行确定，然后按有效缺陷梁柱理论计算极限强度。其工程计算表
20、明，这种简化计算具有一定的精度，可以被广泛运用到后期研究中。Yao（1991,1992）采用梁段平衡方法来对加筋板极限强度进行计算。板弹性大挠度变形与刚塑性被考虑运用到确定板的极限强度，得出板的平均应力与应变的关系。将整个加筋板作为梁段，然后以平衡条件来确定跨中平均应力与应变关系。其中加强筋分为 T 型材和角钢：前者考虑中段塑性变形，并在梁段达到弯曲屈曲应力；后者仅考虑弹性扭转屈曲应力。Ueda（1991,1996）采用临界刚度比法，由板与加筋的刚度比决定失效方式.Ueda 将加筋板的失效分为四类，对每类失效的极限强度，依受力条件，由理论分析和数值计算给出类似屈服面方程的极限面方程。我国学者相
21、对外国学者来说对加筋板的稳定性研究起步稍晚。王震鸣（1984,1985,1991）等提出了有缺陷的金属和复合材料加筋板壳的面板在局部屈曲前后的有效刚度问题，通过研究提出了加筋板在外载荷作用下面板先发生局部屈曲，或局部屈曲载荷与整体屈曲载荷相近时承载能力的近似计算方法，并指出了增大加筋板壳承载能力的主要方法。崔维成等做了大量研究针对加筋板的屈曲及极限强度，然后用简化了的方法分析组合载本科毕业论文 正文7荷作用下加筋板的极限强度，他们没有考虑剪应力的影响。文献1 主要是说横向加劲腹板在局部载荷作用下的稳定性分析，采用 Ritz 法分析局部载荷作用下横向加劲腹板的屈曲强度，板内应力采用有限元法计算，
22、给出了加劲肋的临界刚度以及板的最大屈曲系数的计算图表，分析结果表明，当载荷相对尺寸小于 0.5，板长宽比小于 1.38 时，横向加劲腹板比纵向加劲腹板具有较高的临界载荷。文献2 采用里兹法和切分拟合的数学方法，讨论了单向压缩和弯曲共同作用的薄板弹性屈曲问题。首先将薄板能量方程按照里兹法求解方法进行推导改写，利用最小势能原理和Matlab 数学计算软件，采用切分的数学方法，求各切分点的准确解。利用切分数据，通过拟合方法给出了薄板载压缩和弯曲共同作用下临界关系曲线。最后应用文中研究成果，对现行钢结构设计规范中关于钢梁腹板仅设横向加劲肋的区格稳定验算公式提出了修改建议。文献3 在本文中基于基尔霍夫假
23、设的板弯曲边界元法（BEM ） ，被应用到分析常见楼板的弯曲上。平衡性和兼容性是等同的重要，对于一个一体化的合成构件。应对梁的弯曲有两种方法。文献4 研究交互式加筋板的屈曲文献5 小挠度理论板的弹性曲面微分方程，能量法计算板的弹性失稳荷载，不同面内荷载作用下板的弹性失稳，几种边缘荷载共同作用下薄板的临界条件，板稳定理论在钢结构设计中的应用文献6 考虑残余应力、侧向压应力、开孔和扭转约束对于板格的屈曲强度的影响，讨论了各个因素影响下的板格的屈曲强度计算公式。并通过有限元计算对屈曲强度计算公式进行了分析与比较;根据大变形理论，通过板的非线性控制微分方程的分析，得到了各种组合载荷情况下的板格的极限强
24、度计算公式。并考虑初始缺陷对极限强度的影响;按照 CCS“油船结构直接计算分析指南”(2004)对 110000DWT 原油船进行有限元直接计算。针对各种规定的计算载荷工况，对该船船体结构进行了强度校核。并对其主要的船体板如甲板、底板、舷侧、内壳和纵横向舱壁板等板格进行了平板屈曲校核。文献7 本文将船用钢拉伸实验曲线从比例极限到屈服极限的非线性段,用一个含有四个参数的幂函数来表达。对 7 种常用的船用钢的拉伸实验数据进行了曲线拟合,通过误差分析,验证了上述方法的可用性,进而得到船用钢应力应变关系的数学表达式。还根据船用钢的特性,计算加筋板在非线性阶段的梁柱屈曲应力。文献8 提出任意开口薄璧截面圆弧曲梁的翘曲位移表达式，利用能量原理导出了单轴
