船舶加筋板轻量化设计研究

加筋板作为船舶中的基本结构单元,对其进行合理地轻量化设计研究并推广到全船可有效减少钢材消耗,降低制造成本。采用有限元软件,对加筋板的力学特性和振动特性进行分析,结合拓扑优化和尺寸优化方法,开展加筋板结构轻量化与振动的协同设计。根据优化结果重新设计梯形式的加强筋结构,并对比分析新型板材特性变化情况,验证优化结果的有效性,并讨论梯形加强筋底角大小对板材特性的影响。最终在保证其适用性的前提下,实现了加筋板减重19.2%。     

复合材料加筋夹层板动力学固有特性影响因素分析

以复合材料加筋夹层板为研究对象,基于有限元分析,对不同加筋结构方案、加强筋不同宽高比以及不同加强筋芯材对其固有振动特性的影响规律进行了研究。在总重量相当条件下,对比分析了一字型、十字型、卄字型及井字形等四种不同加筋结构方案夹层板的静刚度特性及固有振动特性;以一字型加筋板为研究对象,以加强筋横截面面积为优化约束条件,研究了不同宽高比加强筋对加筋板固有振动频率的影响;对比探讨了一字型加筋板中加强筋芯材弹性模量的变化对结构固有振动特性的影响规律。结果表明：适当选择加筋形式、加强筋宽高比以及加强筋芯材能够有效提高复合材料加筋夹层板的静刚度特性及固有振动特性,为复合材料夹层板的工程应用与改进提供了参考。     

声学黑洞加筋板结构的声振特性分析

基于声学黑洞与加强筋这两种结构设计出声学黑洞加筋板,通过建立声学黑洞加筋板、加强筋的有限元模型,对两种结构的声辐射特性、振动能量分布与传递特性开展研究。仿真结果表明：在高于截止频率时声学黑洞加筋板的辐射声功率级比普通加筋板降低8～20 dB,由于敷设的局部阻尼使聚集在声学黑洞区域的振动能得到有效的耗散,因此其振动水平下降明显且与声场耦合变弱;通过分析振动能量分布特性验证了声学黑洞加筋板结构大部分动能聚集在声学黑洞区域,减弱整体结构的振动水平;振动传递特性揭示了声学黑洞加筋板受声学黑洞聚能与加强筋阻振的叠加效应,相比于普通加筋板,声学黑洞加筋板具有更优的减振降噪性能。     

几种截面形式铝合金加筋板极限强度数值研究

为了满足日益强烈的船舶轻量化设计需求,对某钢制船舶上层甲板的加筋板进行替代设计。考虑刚度、质量、加强筋形状等,设计6种不同截面形式铝合金加筋板。基于非线性有限元方法,对以上加筋板进行极限强度计算和比较。根据计算结果,得出可用于替代原有钢制加筋板的设计方案。     

含初始挠度加筋板的极限承载能力分析

舰船长期服役,甲板结构易产生初始挠度变形,这会对甲板承载能力带来不利影响。加筋板作为船体甲板结构的主要构成单元,研究初始挠度变形对其极限承载力的影响具有重要意义。为了确定初始挠度变形对加筋板极限承载力的影响作用,根据实际情况假设初始挠度为双三角级数形式,利用Ansys计算分析了整体初始挠度的幅值与半波数对极限载荷的影响和典型位置的应力特性,并得到初始挠度对加筋板极限载荷的影响因子计算方法。计算结果分析表明,随着初始挠度的幅值和半波数的增加,加筋板极限承载力逐渐减小;对于含有某种初始挠度的加筋板,其影响因子主要受加筋板的长宽比、厚度和加强筋间距等因素的影响。     

含初始挠度加筋板的极限承载能力分析

舰船长期服役,甲板结构易产生初始挠度变形,这会对甲板承载能力带来不利影响.加筋板作为船体甲板结构的主要构成单元,研究初始挠度变形对其极限承载力的影响具有重要意义.为了确定初始挠度变形对加筋板极限承载力的影响作用,根据实际情况假设初始挠度为双三角级数形式,利用Ansys计算分析了整体初始挠度的幅值与半波数对极限载荷的影响和典型位置的应力特性,并得到初始挠度对加筋板极限载荷的影响因子计算方法.计算结果分析表明,随着初始挠度的幅值和半波数的增加,加筋板极限承载力逐渐减小;对于含有某种初始挠度的加筋板,其影响因子主要受加筋板的长宽比、厚度和加强筋间距等因素的影响.     

基于空间谐波分析的典型加筋板结构声振特性

[目的]单向周期加筋板在船舶结构中应用广泛,开展其声振特性理论研究可为加筋板的声振特性分析和优化提供理论参考。[方法]首先,考虑骨材对板的力和扭矩作用,以及流体声介质与板的耦合作用,分别建立无限大单、双周期加筋板的结构动力学模型;然后,通过傅里叶变换将空间域转换到波数域,应用构造函数、泊松公式及周期函数的性质推导加筋结构的振动方程,得到力激励和声波激励下加筋板振动位移的解析解,并利用稳相法给出加筋板的远场声压表达式;最后,通过具体算例讨论骨材扭矩、激励类型、激励位置、板厚、骨材参数等因素对周期加筋板结构声振特性的影响规律。[结果]骨材扭矩对加筋板声振特性的影响较小;对于周期加筋结构,可以利用骨材参数对声子晶体带隙的影响,衰减某些频率的振动;激励加载在强构件处可有效减弱振动;骨材的间距、尺寸等参数对声振特性的影响较为明显。[结论]对激励及骨材参数的合理设置,可以有效优化加筋板结构的水下声振特性。     

不同加筋形式对结构声辐射性能的影响

本文基于统计能量法分析了横向加筋板,纵向加筋板,斜加筋板,圆心在板角的圆弧形加筋板,圆心在板中轴的圆弧形加筋板,正交加筋板等六种不同加筋形式板在100Hz至1000Hz内的声辐射特性,研究表明正交加筋板的平均辐射声压级要低于另外五种形式的加筋板.研究了两类改变加强筋间距的横向加筋板的声辐射性能,研究表明对于固定左侧的一根加强筋改变加强筋间距,随着加强筋间距的增大,辐射声压级先增大后减小,而对于板中线为基准改变加强筋间距,对辐射声压级影响不大.最后,本文研究加筋板在主机舱中的实际应用,建立了三种主机舱模型,分析模型的声辐射特性,研究表明复合加筋形式的主机舱辐射声压级最小,相对于无加筋形式,要低4~5dB左右.     

双向正交密加筋板的极限强度预报

采用数值分析方法,对一系列单轴受压的双向正交密加筋板进行了有限元非线性计算。基于有限元数值计算结果和正交异性板理论,引入纵向加强筋的柔度λx、横向加强筋的柔度λy以及密加筋板的柔度β这3个参数变量,提出了关于这3个参数变量的双向正交密加筋板极限强度预报公式。对3种类型加强筋的双向正交密加筋板的极限强度分析结果表明,预报公式结果与有限元计算结果的绝对误差很小,能准确预报双向正交密加筋板的极限强度。     

极地小型邮轮加筋板结构冗余度试验研究

以极地小型邮轮加筋板结构为研究对象,设计并制作典型加筋板缩比模型,开展完整结构和损伤结构的轴向压缩极限强度试验研究,揭示完整结构和损伤结构下,主甲板板架结构的极限承载能力和屈曲失效模式,并基于全船结构强度有限元方法,计算主甲板板架完整结构和损伤结构的应力,进行了主甲板板架结构冗余度评估。研究发现：轴向压缩载荷作用下,单独一根加强筋出现局部损伤会小幅度降低加筋板结构的极限承载能力;加筋板完整结构和损伤结构屈曲破坏模式均为加强筋率先破坏引起整个板架结构屈曲破坏;单独一根加强筋的损伤不会引起极地小型邮轮加筋板结构的连续性垮塌,具有良好的结构冗余。研究结果对极地小型邮轮结构设计和冗余度研究具有一定参考价值。     

基于裂纹最大张口位移的加筋板弹塑性断裂分析

为了快速方便地求取船舶加筋板塑性性能的两个重要参数—裂纹尖端塑性区半径（Ry）和裂纹尖端张开位移（CTOD）,文章提出了一种基于裂纹最大张口位移（MCOD）来确定加筋板的裂纹尖端塑性区半径和裂纹尖端张开位移的简便方法。该法基于理想弹塑性材料,以提出的裂纹最大张口位移与裂纹尖端塑性区半径及裂纹尖端张开位移的拟合函数关系为基础,考虑了模型尺寸效应、材料特性参数及外载荷的影响。文中还对不同裂纹长度、不同屈服极限条件、不同板/筋刚度比时方法的适用性进行了分析,研究表明：该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外载荷等因素的影响,适用于有限宽船舶加筋板的弹塑性分析。     

单向加筋板低频振动的简化建模精度影响因素

针对典型单向加筋板结构的低频振动问题,基于薄板弯曲理论,得到等效正交异性板计算公式,通过与有限元计算结果比较验证计算公式的正确性。分析质量等效、弯曲刚度等效与结构参数对简化方法精度的影响规律,并通过附加弯曲刚度比对筋条截面高度、筋条数量和基板厚度等3项结构参数进行定量比较分析,对简化方法的适用范围产生量化认识,为加筋板简化建模的应用场景提供参考性建议。     

加筋薄板简化方式对船体总振动影响的研究

以单向加筋板为主要研究对象，结合正交异性板理论和等效板厚理论提出了适用于振动分析的等效厚度正交异性板简化方法，并与常用的简化方法进行了比较。推导了3种简化方法下的加筋板固有频率的解析公式，并计算了四边简支单向加筋板固有频率。结果表明：本文提出的简化方法在求取单向加筋板低阶固有频率时计算结果与有限元结果前五阶误差在15%以内。文中应用该简化方法计算了一船体梁的固有频率，通过对船体梁甲板的加强筋结构进行简化，将模型总单元数降至原模型的27.6%，采用本文方法计算得到的船体梁垂向前三阶和扭转一阶振动频率优于传统的正交异性板简化方法，较原模型偏差在2.2%以内。说明等效厚度正交异性板简化方法在特定工程领域是可用的，且此法相较之前的方法有一定程度的改进，对相关研究和工程计算具有一定参考价值。     

加筋板结构振动声强可视化研究

基于结构声强法研究了加筋板结构振动能量的传输、分布和耗散特性。首先介绍结构声强分量的计算和声强可视化的相关理论,以及系统功率输入和输出的计算公式。在数值算例中,利用有限元法对3种常见的加筋板模型进行了简谐集中力作用下的响应计算,然后通过编制Matlab程序计算结构声强分量,并进行结构噪声源的定位,实现能量传输和衰减的可视化。同时针对不同的加筋形式对能量传递路径的影响也进行了讨论。研究了不同加筋板阻尼器能量耗散特性。最后以舰船平台板架为例揭示了结构声强技术在舰船振动设计中的应用价值。     

典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性

[目的]为研究典型舱内爆炸载荷对加筋板的毁伤特性,将舱内爆炸载荷分为初始爆炸冲击波载荷和准静态气压载荷,利用有限元分析软件LS-DYNA开展爆炸载荷下固支单向加筋板毁伤特性的数值模拟。[方法]主要模拟载荷冲量相等和载荷峰值相等时固支单向加筋板的变形特性,以及加筋板分别在初始爆炸冲击波载荷、准静态气压载荷及2种载荷联合作用下的毁伤特性,并分析上述载荷作用下加筋板的变形特点。[结果]结果表明:当作用在加筋板上的冲量相等、载荷作用时间小于0.05倍垂向一阶自振周期时,加筋板的最终挠度值处于最大值附近;当载荷峰值相同时,存在饱和冲量值,达到饱和冲量值以后,载荷作用时间不再影响加筋板的最终变形。[结论]在舱内爆炸载荷作用下,加筋板的最终变形不是2种载荷作用下的简单叠加,2种载荷的联合作用会增强毁伤效果。     

Ultimate collapse tests of stiffened-plate ship structural units

An increasingly popular approximate method for assessing ship hull girder ultimate strength is to combine the individual elasto-plastic load-carrying characteristics of each single stiffened-plate unit comprising the ship hull cross section. In order to evaluate methods (numerical and experimental) for developing the load-carrying characteristics (load–shortening curves), a full-scale testing system was designed and constructed to provide data for stiffened steel plate units under combined axial and lateral loads. The system included an assembly of discrete plate edge restraints that were developed to represent symmetric boundary conditions within a grillage system. Twelve full-scale panels including ‘as-built’, ‘deformed’ and ‘damaged’ specimens were tested in this set-up.

The specimens failed by combined plate and flexural buckling, stiffener tripping or local collapse, depending on the magnitude of lateral loads and local damage. Load-shortening curves associated with different failure modes were found to be distinctly different and it was found that a small lateral load could change the failure mode from flexural buckling to tripping. Current design criteria should directly consider effects of the lateral loads on the failure modes and the collapse loads of stiffened plates.     

New simplified approach to collapse analysis of stiffened plates

A new simplified model for collapse analysis of stiffened plates is developed in the framework of the idealized structural unit method (ISUM). By idealizing material and geometrical nonlinearities, larger structural units are defined as an element in ISUM than in conventional finite element analysis (FEA). The proposed stiffened plate model consists of ISUM plate elements and beam-column elements. The formulation of the plate element is performed by introducing accurate shape functions to simulate the buckling/plastic collapse behaviour of plate panels. Combining plate and beam-column elements allows for both local buckling of the plate panel and overall buckling of the stiffener.Fundamental collapse modes of plate panels and stiffened plates are investigated by conventional FEA. According to the observed characteristics, the new simplified model is formulated. Comparisons with FEA demonstrate the accuracy of the simplified model and its high applicability to typical stiffened plates in marine structures.     

冲击载荷下加筋板非线性瞬态分析

本文用半解析的方法分析了横向冲击载荷下加筋板的非线性瞬态响应。考虑膜力的存在，忽略筋截面上的剪切应力，引入板的应力函数，采用离散加筋板模型，运用能量原理建立加筋板的动响应控制方程。假设挠度为双级数形式，运用迦辽金法，将加筋板的动响应方程转化为一个多自由度的动力系统，采用数值方法来求解。本文最后给出了几个模型的计算结果。     

具有裂纹缺陷的加筋板的剩余拉伸强度分析

对具有裂纹缺陷的加筋板的剩余强度进行了数值分析.考虑了加筋板上的三种缺陷形式,即板和筋上的垂直裂纹,板和筋上的倾斜裂纹以及板上的裂纹和筋上的圆孔.对板和筋上的相对裂纹长度、材料属性、板和筋的厚度、裂纹开裂角度以及圆孔的直径等影响参数进行了分析.同时,将无加筋板剩余强度的经验公式推广到加筋板,并验证了公式的有效性.