船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法
【專利摘要】一種船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法,步驟包括：繪制船體橫剖面的結(jié)構(gòu)圖；建立計(jì)算船體橫剖面的離散化計(jì)算模型，將離散的節(jié)點(diǎn)、板、加強(qiáng)筋、板格單元和硬角單元編號(hào)，為各單元及節(jié)點(diǎn)賦坐標(biāo)值；定義結(jié)構(gòu)材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比；定義板材的厚度、初始變形、殘余應(yīng)力及側(cè)向壓力和極限拉伸應(yīng)力；定義加強(qiáng)筋坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚度和結(jié)構(gòu)比例極限系數(shù)；定義組成板格單元和硬角單元的單元編號(hào)，初始變形，側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)比例極限系數(shù)；基于Smith方法導(dǎo)出的船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，對(duì)船體橫剖面離散計(jì)算模型進(jìn)行極限承載能力分析。
【專利說(shuō)明】
船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及船舶技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分 析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代船舶的復(fù)雜性以及對(duì)船體平臺(tái)的可靠性、效率和總體性能的更高要求，需要 有一個(gè)科學(xué)的、強(qiáng)有力的和通用的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。船體總縱強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核作為船體結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)中最核心的工作，其設(shè)計(jì)方法的有效性與先進(jìn)性對(duì)設(shè)計(jì)艦艇的性能表現(xiàn)影響至為關(guān) 鍵。
[0003] 目前，船舶船體總縱極限強(qiáng)度的計(jì)算主要采用始屈彎矩法或一步法等簡(jiǎn)化方法。 這些簡(jiǎn)化方法通過(guò)特別定義"設(shè)計(jì)載荷"和一些典型的或象征性的極限狀態(tài)，以及最大許用 應(yīng)力之類的一般性要求，沒有計(jì)算出真正的具體載荷響應(yīng)和極限值，不能準(zhǔn)確地知道船體 真正的安全裕度。
[0004] 需要建立一種直接的和完全的基于結(jié)構(gòu)理論以及采用以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的船舶船 體總縱極限強(qiáng)度分析方法，并在設(shè)計(jì)時(shí)將規(guī)定的安全裕度加在船體的總縱極限狀態(tài)上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，能夠提高 船體結(jié)構(gòu)總縱極限抗彎能力計(jì)算的準(zhǔn)確度，滿足船舶設(shè)計(jì)校核的要求，具備易操作性、可靠 性、通用性。
[0006] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法， 包含以下步驟： 步驟一:繪制船體橫剖面的結(jié)構(gòu)圖； 步驟二:建立計(jì)算船體橫剖面的離散化計(jì)算模型，將離散的節(jié)點(diǎn)、板、加強(qiáng)筋、板格單元 和硬角單元編號(hào)，為各單元及節(jié)點(diǎn)賦坐標(biāo)值； 步驟三:定義結(jié)構(gòu)材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比； 步驟四：定義板材的厚度、初始變形、殘余應(yīng)力及側(cè)向壓力和極限拉伸應(yīng)力； 步驟五:定義加強(qiáng)筋坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板1和2的寬度 和厚度和結(jié)構(gòu)比例極限系數(shù)； 步驟六:定義組成板格單元和硬角單元的單元編號(hào)，初始變形，側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)比例極 限系數(shù)； 步驟七:基于船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，對(duì)船體橫剖面離散計(jì)算模型 進(jìn)行極限承載能力分析； 總縱極限強(qiáng)度計(jì)算流程為： ① 確定所有單元的平均應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系； ② 初始化船體梁整體曲率； ③計(jì)算當(dāng)前曲率每個(gè)單元的應(yīng)變，并由單元應(yīng)力一一應(yīng)變關(guān)系確定當(dāng)前應(yīng)力； 在考慮板格單元梁柱型彎曲屈曲時(shí)，長(zhǎng)板受壓時(shí)計(jì)及殘余應(yīng)力影響的平均應(yīng)力-平均 應(yīng)r ? 極限狀態(tài)下的初始撓度影響系數(shù)為:爲(wèi)、。:! _靡知 式中
％無(wú)量綱形式的初始撓度的幅值。
[0007]當(dāng)側(cè)向壓力的值超過(guò)％/#時(shí)，板邊應(yīng)看作剛固，計(jì)及殘余應(yīng)力后的平均應(yīng)力-平均命亦羊茗失1.

④ 建立整體截面的力平衡方程，確定當(dāng)前中和軸的位置，計(jì)算時(shí)需要作一些迭代； ⑤ 疊加所有單元對(duì)瞬時(shí)中和軸的彎矩得到當(dāng)前應(yīng)變下船舯截面的總彎矩； 瞬時(shí)中和軸的位置可通過(guò)令斷面所有單元上的應(yīng)力總和為零的條件得到，即

式中 ％第1單元的平均應(yīng)力，由單元特性曲線得到，4為第i單元的幾何面 積。
[0008]⑥將當(dāng)前曲率計(jì)算的總體彎矩與前一次的彎矩值比較，判斷是否達(dá)到極限彎矩 值;如果彎矩一一曲率關(guān)系曲線的斜率為零或?yàn)樨?fù)值，則結(jié)束計(jì)算，得到極限彎矩;否則，返 回第③步，按初始曲率10 %逐步增加，重新計(jì)算。
[0009] 進(jìn)一步的，在上述方法中，所述船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法是基于 Smi th方法導(dǎo)出的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠提高船舶總縱極限強(qiáng)度計(jì)算的精確度，提高極限強(qiáng) 度計(jì)算方法對(duì)不同船體材料的適用性，使設(shè)計(jì)者在計(jì)算后得到船體真正的安全裕度。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法的流程圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明一實(shí)施例步驟Sl中繪制的散貨船半橫剖面圖。
[0013] 圖3、圖4是本發(fā)明一實(shí)施例步驟S2的船底剖面單元?jiǎng)澐謭D。
[0014] 圖5是本發(fā)明一實(shí)施例步驟S2的底邊艙單元?jiǎng)澐謭D。
[0015] 圖6是本發(fā)明一實(shí)施例步驟S2的頂邊艙單元?jiǎng)澐謭D。
[0016] 圖7是本發(fā)明一實(shí)施例步驟S7計(jì)算得到的散貨船剖面特性數(shù)據(jù)。
[0017] 圖8是本發(fā)明一實(shí)施例步驟S7計(jì)算得到的散貨船的總縱彎矩-曲率曲線及極限彎 矩值。
[0018] 圖3~圖6中數(shù)字1~113為節(jié)點(diǎn)號(hào)，[1]~[120]為板單元號(hào)，（1)~(94)為加筋板單 元號(hào)，①~Θ為硬角單元號(hào)。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí) 施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，包括步驟Sl~ 步驟S7。
[0022] 步驟Sl，根據(jù)船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制出用于總縱極限強(qiáng)度校核的船體橫剖面結(jié)構(gòu) 圖，明確橫剖面處參與船體總縱彎曲的結(jié)構(gòu)件的尺寸大??； 優(yōu)選的，所述船體橫剖面宜采用船中1/2船廠范圍內(nèi)的。
[0023] 步驟S2,建立計(jì)算船體橫剖面的離散化計(jì)算模型，將離散的節(jié)點(diǎn)、板、加強(qiáng)筋、板格 單元和硬角單元編號(hào)，為各單元及節(jié)點(diǎn)賦坐標(biāo)值； 優(yōu)選的，船體斷面縱向連續(xù)板的交匯點(diǎn)、加強(qiáng)筋與板的連接點(diǎn)取為斷面節(jié)點(diǎn)，并依次編 號(hào)。計(jì)算中所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)在總坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。
[0024] 步驟S3,定義結(jié)構(gòu)材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比。
[0025] 優(yōu)選的，定義各種材料的編號(hào)，編號(hào)為整數(shù)，從1開始，依次加1。屈服極限和楊氏模 量的單位是牛每平方毫米(兆帕）。
[0026]步驟S4,定義板材的厚度、初始變形、殘余應(yīng)力及側(cè)向壓力和極限拉伸應(yīng)力； 優(yōu)選的，計(jì)算所需板的數(shù)據(jù)為板兩端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、厚度、初始變形、殘余應(yīng)力、側(cè)向壓 力、材料種類號(hào)和材料的拉伸極限強(qiáng)度。
[0027]步驟S5,定義加強(qiáng)筋坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度 和厚度和結(jié)構(gòu)比例極限系數(shù)； 優(yōu)選的，加強(qiáng)筋坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的夾角單位是度，逆時(shí)針為正;腹板高度與厚度， 翼板的寬度和厚度等的單位是毫米。
[0028] 步驟S6，定義組成板格單元和硬角單元的單元編號(hào)，初始變形，側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)比 例極限系數(shù)； 步驟S7，基于Smi th方法導(dǎo)出的船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，對(duì)船體橫剖 面離散計(jì)算模型進(jìn)行極限承載能力分析。
[0029] 下面采用一實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的上述步驟進(jìn)一步作詳細(xì)的介紹。
[0030] 實(shí)施例一 某大型散貨船的總縱極限強(qiáng)度計(jì)算。
[0031] 步驟Sl，繪制橫剖面圖，明確模型參數(shù)，圖見說(shuō)明書附圖2。
[0032]步驟S2,將模型橫剖面進(jìn)行劃分 板和板的連接點(diǎn)，筋和板的連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，板和板的連接處作為硬角單元，有加 強(qiáng)筋的位置作為一個(gè)板格單元。半橫剖面單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果見附圖3~6,該模型有113個(gè)節(jié)點(diǎn)， 120個(gè)板單元，94個(gè)加筋板，19個(gè)硬角單元。將船體舭板部分簡(jiǎn)化成硬角單元，同時(shí)將甲板和 舷側(cè)連接部分的弧形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為加筋板單元。
[0033]步驟S3,定義結(jié)構(gòu)材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比。
[0034] 本例中只有一種船用鋼材，屈服極限235MPa，楊氏模量206000MPa，泊松比0.3。 [0035]步驟S4,定義板材的厚度、初始變形、殘余應(yīng)力及側(cè)向壓力和極限拉伸應(yīng)力； 步驟S5,定義加強(qiáng)筋坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚 胃車口力士士vh Uk /τ?ι丨士UIT曰名Π
步驟S6,定義組成板格單元和硬角單元的單元編號(hào)，初始變形，側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)比例極 限系數(shù)； 步驟S7，基于Smi th方法導(dǎo)出的船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，對(duì)船體橫剖 面離散計(jì)算模型進(jìn)行極限承載能力計(jì)算。
[0036]得到散貨船計(jì)算剖面得剖面特性，見附圖7。
[0037]計(jì)算得到極限彎矩值和彎矩-曲率曲線，見附圖8。
[0038]本發(fā)明基于Smith逐步破壞法既能達(dá)到足夠的計(jì)算精度又大大簡(jiǎn)化了計(jì)算量。該 方法適用面廣，既可以計(jì)算簡(jiǎn)單箱型梁的極限強(qiáng)度，也可以計(jì)算大型散貨船，油船和集裝箱 船等的極限強(qiáng)度。方法輸入相對(duì)簡(jiǎn)單，輸出方式多樣化。簡(jiǎn)單易操作，具有工程可行性，對(duì)船 舶的極限強(qiáng)度直接計(jì)算提供了平臺(tái)，有利于海軍所提出的精細(xì)設(shè)計(jì)的原則，有利于提升船 舶的總體性能。
[0039] 專業(yè)人員還可以進(jìn)一步意識(shí)到，結(jié)合本文中所公開的實(shí)施例描述的各示例的單元 及算法步驟，能夠以計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。專業(yè)技術(shù)人員可以對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)使用不同 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的功能，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。
[0040] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神 和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之 內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包括這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:繪制船體橫剖面的結(jié)構(gòu)圖； 步驟二:建立計(jì)算船體橫剖面的離散化計(jì)算模型，將離散的節(jié)點(diǎn)、板、加強(qiáng)筋、板格單元 和硬角單元編號(hào)，為各單元及節(jié)點(diǎn)賦坐標(biāo)值； 步驟三:定義結(jié)構(gòu)材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比； 步驟四：定義板材的厚度、初始變形、殘余應(yīng)力及側(cè)向壓力和極限拉伸應(yīng)力； 步驟五:定義加強(qiáng)筋坐標(biāo)系與局部坐標(biāo)系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚 度和結(jié)構(gòu)比例極限系數(shù)； 步驟六:定義組成板格單元和硬角單元的單元編號(hào)，初始變形，側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)比例極 限系數(shù)； 步驟七:基于Smith方法導(dǎo)出的船體總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，對(duì)船體橫剖 面離散計(jì)算模型進(jìn)行極限承載能力分析。2. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述船 體橫剖面的離散化采用計(jì)算時(shí)將船體斷面劃分成由板格單元和硬角單元組成的離散化模 型，并假定單元之間相互獨(dú)立，單元特性用載荷-端部縮短曲線表示。3. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述 Smith方法采用將總縱極限彎矩下船體梁的破壞行為簡(jiǎn)化為逐漸增加梁體縱向彎曲曲率， 把加筋板單元性能結(jié)合到梁的整體分析中，運(yùn)用疊加方法得到完整的船體梁的彎矩--曲 率關(guān)系曲線，當(dāng)曲線的斜率為零時(shí)，所對(duì)應(yīng)的彎矩即為極限彎矩。4. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟七中對(duì)于板格彎曲屈曲的破壞摸式，考慮初始變形、側(cè)向壓力的影響;對(duì)于加強(qiáng)筋扭轉(zhuǎn)屈 曲的破壞模式，考慮側(cè)向壓力的影響。5. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟一船體橫剖面采用船中1/2船廠范圍內(nèi)的。6. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟二船體斷面縱向連續(xù)板的交匯點(diǎn)、加強(qiáng)筋與板的連接點(diǎn)取為斷面節(jié)點(diǎn)，并依次編號(hào)，計(jì)算 中所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為節(jié)點(diǎn)在總坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。7. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟三定義各種材料的編號(hào)，編號(hào)為整數(shù)，從1開始，依次加1，屈服極限和楊氏模量的單位是 牛每平方毫米。8. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟四計(jì)算所需板的數(shù)據(jù)為板兩端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、厚度、初始變形、殘余應(yīng)力、側(cè)向壓力、材料 種類號(hào)和材料的拉伸極限強(qiáng)度。9. 如權(quán)利要求1所述的船舶總縱極限強(qiáng)度簡(jiǎn)化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟五加強(qiáng)筋坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的夾角單位是度，逆時(shí)針為正;腹板高度與厚度，翼板的寬 度和厚度等的單位是毫米。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105844033SQ201610188827
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】彭正梁, 韓正君, 周艷秋
【申請(qǐng)人】中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心