焊接变形和应力对甲板板架极限强度的影响

船舶建造过程中,焊接引起的结构变形和应力对船舶结构性能产生影响。以典型船舶甲板板架为例,研究焊接初始缺陷对甲板板架极限强度的影响。采用数值仿真方法模拟甲板板架的焊接过程,获得结构焊接变形和残余应力,对含初始缺陷的板架结构施加轴向压缩载荷,计算板架结构的极限强度,并与理想结构进行比较研究。结果表明,轴向压缩载荷下,甲板板变形过大是引起板架整体失稳的主要因素;焊接变形及残余应力显著地削弱甲板板架极限承载能力,焊接初始缺陷降低甲板板架整体刚度,影响结构失效模式。     

舱室火灾作用下甲板板架热力响应及防护性能研究

本文使用基于大涡模拟算法的火灾动力学仿真手段模拟实际舱室油池火灾场景，考虑环境与结构的对流辐射换热，以及板架初始缺陷和材料高温热力学特性，采用顺序热力耦合算法，对比侧向载荷作用下有和没有防火涂料保护的甲板板架热力响应，并计算分析防火涂料不同涂设位置对板架热力响应以及结构变形的影响。结果表明，甲板板架结构温度和热应力不会因为防火涂料的保护而改变分布规律，但其数值会明显降低；火灾下甲板板架结构应力主要受温度影响，侧向载荷影响次之；火焰上方板架无涂料保护的纵骨会在火灾持续时间内发生失效，而防火涂料保护下的结构基本一直处于弹性状态；防火涂料不同涂设位置对板架结构变形影响较大，其中纵向和横向构件的保护对抵抗板架变形起重要作用；涂料仅保护甲板板时，纵向和横向构件温度及应力会大于无涂料板架；防火涂料可以有效延迟结构屈服和形变，为火灾救援提供时间。本文研究工作可为实际火灾场景下的船舶结构抗火设计与安全评估提供参考。     

舱室火灾作用下甲板板架热力响应及防护性能

文章使用基于大涡模拟算法的火灾动力学仿真手段模拟实际舱室油池火灾的场景,考虑环境与结构的对流辐射换热,以及板架初始缺陷和材料高温热力学特性,采用顺序热力耦合算法,对比侧向载荷作用下有涂料防护板架和无防护板架的热力响应,并计算分析防火涂料不同涂设位置对板架热力响应以及结构变形的影响。结果表明,甲板板架结构温度和热应力不会因防火涂料的保护而改变其分布规律,但数值会明显降低;火灾下甲板板架结构应力主要受温度影响,其次是侧向载荷;火焰上方板架无涂料保护的纵骨会在火灾持续时间内失效,而防火涂料保护下的结构基本处于弹性状态;防火涂料涂设位置的不同对板架结构变形影响较大,其中纵向和横向构件的保护对抵抗板架变形起重要作用;涂料仅保护甲板板时,纵向和横向构件温度及应力将大于无涂料板架;防火涂料可有效延迟结构屈服和形变,为火灾救援提供时间。研究工作可为实际火灾场景下的船舶结构抗火设计与安全评估提供参考。     

循环载荷下船体板极限承载性能研究

研究船体板在轴向循环压缩载荷下的极限承载性能,对于保障船舶的总纵强度安全具有重要意义。本文运用系列方柱试件模拟船体板构件,对其在轴向循环压缩下的极限承载能力进行了试验研究,并运用非线性有限元方法对其中两个试件进行了数值分析。研究表明,船体板一次性崩溃压缩极限强度是循环压缩载荷下船体板极限强度的最大值,基于一次性崩溃理念的船体结构极限强度评估可能偏于危险。     

中心穿透裂纹板在复杂载荷作用下的剩余极限强度分析

为了深入研究复杂载荷作用下的含中心穿透裂纹板的剩余极限强度,利用弹塑性有限元分析方法对现有的具有中心穿透裂纹板进行了双向拉伸载荷下的极限拉伸强度分析,得到了与实验结果比较吻合的结果;系列有限元计算结果表明,结构剩余极限强度随有效裂纹长度的增大而线性降低,并推导了具有较高精度的极限拉伸强度计算公式;最后对轴向压缩载荷作用下的具有初始挠度的中心穿透裂纹板进行了剩余极限强度分析,分析了裂纹参数和结构初始缺陷对其相对剩余极限强度的影响.计算结果表明,此时结构的剩余极限强度主要取决于结构中存在的初始缺陷的大小.     

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。     

极地低温和凹陷损伤下加筋板极限强度的参数敏感性分析

为了快速评估含船冰碰撞凹陷损伤下加筋板在轴向压缩载荷作用下的极限强度，本文采用非线性有限元法对低温凹陷损伤加筋板的极限强度进行研究。根据EH36钢在低温下的材料力学性能试验，通过折减因子评估法，基于完整加筋板在轴向压缩下极限强度的经验公式，提出以加筋板柔度和加筋板壳板柔度为变化参数，采用最小二乘法拟合折减系数，得到低温含凹陷损伤加筋板剩余极限强度的经验公式。结果表明，相比于凹陷长度和凹陷深度，凹陷宽度对加筋板极限强度的影响较大；对比分析凹陷损伤加筋板极限强度的经验公式和有限元法的计算结果，误差较小，验证了船冰碰撞凹陷损伤下加筋板的极限强度快速评估方法的准确性。     

火灾场景下船舶舱室结构动态热力响应分析研究

船舶舱室发生火灾时,人员和财产安全、船舶结构及生态环境等都会受到严重威胁。论文基于Smagorinsky亚格子模式的大涡模拟模型和非线性有限元显式动态算法,开展火灾场景下船舶结构动态热力响应的研究。通过自编温度载荷映射程序,实现了现有的火灾模拟软件与有限元软件之间的数据传递。考虑到环境温度在时间和空间上分布的非均匀性和高温下钢材性能的折减,提出了一种用于求解火灾场景下船舶结构动态热力响应的方法。通过算例分析验证了该方法的可行性,可为船舶结构安全性评估和抗火设计提供参考。     

冰载荷对加筋板轴向压缩极限强度的影响

船舶在冰区航行时,将遭受浮冰的挤压,船舷侧部位的加筋板会受到冰载荷的作用。以单筋单跨加筋板为研究对象,采用非线性有限元法对冰载荷下加筋板轴向压缩极限强度进行分析。研究冰载荷的大小、加载区域面积和加载区域位置的不同对极限强度的影响规律。结果表明,冰载荷大小一定,冰载荷作用区域面积逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度随着面积的增加基本呈线性增加。冰载荷作用区域位置距离加筋板中心点距离逐渐增加时,加筋板的轴向压缩极限强度逐渐增加,且随着相对距离的增加,对加筋板轴向压缩极限强度的影响越来越大。这些结果可用于指导冰区船舶结构的设计以及维护。     

大开口双层板架模型屈曲失效简化方法研究

本文开展了含大开口结构的双层板架模型轴向受压稳定性实验,采用非线性有限元软件ABAQUS,建立了甲板大开口双层板架模型,开展了该模型在轴向压缩载荷作用下的屈曲失效过程的数值计算分析,数值计算结果和试验吻合较好。在此基础上,根据甲板结构屈曲失效诱因,将双层板架模型简化为单层板架局部模型,并分析了简化模型在轴向载荷作用下的屈曲破坏路径与极限承载能力。结果表明,简化后的加筋板模型能有效模拟双层板架模型的失效模式,为大开口甲板板架稳定性分析提供了新思路。     

含裂纹加筋板在压缩载荷下的剩余极限强度试验研究

在老龄化引起的船舶结构安全性问题中,裂纹损伤是结构强度衰减的一个重要因素。文章采用逐步加载法对含裂纹损伤的加筋板压缩剩余极限强度进行试验研究。设计六种典型的穿透裂纹损伤加筋板,对损伤试件进行轴向压缩试验。通过改变裂纹尺寸、位置及倾角参数并根据试验观测结果,探讨了不同裂纹参数下加筋板的屈曲破坏特点和对剩余极限强度影响。试验结果表明,不同的裂纹长度以及裂纹位置改变加筋板结构承载力的分布,影响结构应力应变场,进而改变其失效崩溃模式;倾角为45°的裂纹相对于垂直于加筋的裂纹对加筋板结构的剩余极限强度影响较小,此外初始缺陷对结构的剩余极限强度的影响也不容忽视。     

焊接初始缺陷对海洋平台横撑极限强度的影响

为了研究焊接初始缺陷对海洋平台结构极限强度的影响,采用热弹塑性有限元法对不同焊接顺序下半潜式海洋平台横撑结构的焊接过程进行模拟,获得横撑结构的焊接残余应力和变形。在此基础上,采用Riks法计算含焊接初始缺陷的横撑结构的轴向压缩极限强度。结果表明:在2种焊接顺序下,横撑结构的纵向构件发生局部屈曲时的压缩载荷相差约11%,含焊接初始缺陷的横撑结构的屈曲压缩载荷比无缺陷的横撑结构小约18.45%;由于该结构整体的刚度较大,焊接初始缺陷和焊接顺序对横撑结构最终极限强度的影响较小。     

多开口甲板板架结构极限承载力实验研究

[目的]为了研究多开口结构形式对甲板板架结构极限承载能力的影响,[方法]以2种不同开口形式的双层板架模型为研究对象,对其在轴向压缩载荷作用下的极限承载能力进行实验研究,对比分析双开口甲板结构和舷侧开口板架结构的失稳破坏模式及极限承载能力,得到多开口甲板板架结构在逐步崩溃过程中甲板各处应力的变化规律。[结果]实验结果表明:开口角隅处应力集中现象明显,随着轴向压缩载荷逐渐增大,开口中部甲板应力急剧上升,多开口结构最终均在最大开口的中部发生失稳破坏;甲板开口尺寸对结构初始轴向刚度的影响显著,舷侧开口结构则在弹塑性变形阶段对极限承载力的影响占主导地位。[结论]所提实验研究方法及结果可为此类甲板结构的设计提供参考。     

复合材料船体层合板的极限强度分析

基于更新拉格朗日格式,应用非线性层合三维退化壳元,结合有效的复合材料失效准则、刚度退化模型以及文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,对复合材料层合板在轴向载荷作用下的轴向压缩极限强度问题进行深入研究.讨论了铺层方式、板厚等对极限强度的影响.通过与试验结果进行比较,表明基于文中提出的刚度矩阵奇异判断准则,结合增量更新拉格朗日格式下非线性层合三维退化有限元的计算方法能有效计算复合材料层合板的轴向压缩极限强度,并具有很高的精度.     

点蚀、裂纹损伤对船用加筋板剩余极限强度的影响

[目的]长期服役于恶劣海洋环境中的船舶与海洋工程结构,不可避免地会产生裂纹和点蚀,这些损伤会对结构的极限承载能力产生较大影响。为探讨裂纹、点蚀同时存在时对结构承载能力的影响,[方法]采用非线性有限元法开展含裂纹、点蚀损伤的加筋板在轴向压载作用下的极限强度研究。在讨论网格尺寸对含裂纹、点蚀损伤加筋板极限强度影响的基础上,开展裂纹点蚀坑相对位置、点蚀数目、裂纹长度对含裂纹、点蚀损伤加筋板剩余极限强度的影响。[结果]计算结果表明,裂纹长度、点蚀的增加会使加筋板的剩余极限强度下降明显。[结论]这些结果可用于指导全寿期船舶与海洋工程结构的设计与维护。     

基于船冰碰撞的含凹陷损伤加筋板极限强度研究

为研究基于船冰碰撞的含凹陷损伤加筋板的极限强度,结合Derradji-Aouat各向同性三维失效准则和弹脆性破坏模式,提出基于线弹性的多表面失效海冰本构模型。利用Ls-dyna二次开发技术,编译生成相应的求解器。通过与球形冰撞击刚性板和柱形冰撞击船体舷侧板架仿真对比分析,验证了基于线弹性多表面失效海冰动力本构模型更加适用于船冰碰撞问题的研究。利用Ls-dyna模拟海冰与船体加筋板碰撞,并将含凹陷损伤加筋板模型导入Ansys中进行加筋板剩余极限强度的计算,得到考虑凹陷影响的加筋板极限强度。结果表明,凹陷对加筋板极限强度的衰减主要体现在凹陷面积,并且凹陷面积和深度对加筋板极限强度的衰减作用随着面积和深度的增加而逐步减弱。     

CFRP修复含裂纹加筋板极限强度仿真研究

[目的]为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)粘贴修复含裂纹加筋板的极限强度,[方法]采用非线性有限元法对在轴向压缩载荷作用下的CFRP修复含裂纹加筋板的极限强度进行分析,基于CFRP修复含裂纹加筋板模型,对仿真结果与文献的试验结果进行比较,验证所提方法的准确性。以CFRP双面修复含裂纹加筋板为例,研究CFRP加筋板的极限强度,并对胶层剥离机理和胶层应力进行分析。[结果]结果表明,使用CFRP修复含裂纹加筋板后其极限强度得到了明显提高,且接近于含几何初始缺陷加筋板的极限强度;CFRP修复含裂纹加筋板的脱胶行为发生在极限强度之后。[结论]使用CFRP修复含裂纹损伤的加筋板可有效提高其极限承载能力,研究结果可为船舶与海洋工程结构修复提供参考。     

船体结构极限强度研究进展

综述了船体结构极限强度的研究现状,分析了加筋板、船体板架和船体梁极限强度的计算方法以及船体结构极限强度的试验研究。     

含初始变形船体加筋板有效宽度及剩余极限强度研究

为了评估舰船结构损伤后的剩余强度,对船体加筋板出现初始几何变形后,参与总纵强度的有效宽度和加筋板剩余极限强度进行研究。将加筋板受到垂直于平面压力后的变形,作为其初始几何变形,改变变形的方向和大小,利用有限元软件Ansys对加筋板结构进行线性和非线性分析。定义了板有效宽度计算方法,对不同变形方向和变形幅值时板的有效宽度和加筋板的极限强度进行对比分析,并拟合得到了计算板有效宽度和加筋板极限强度的经验公式。结果表明,初始几何变形会削弱加筋板结构的强度。在对损伤后船体结构强度进行分析和校核时,提出的经验公式可以直接用来计算板的有效宽度和加筋板的极限强度。     

双向受压裂纹板剩余极限强度分析

[目的]船舶在航行过程中船底板等船体结构除了受到纵向弯曲应力以及舷侧外板传递的横向水压力载荷影响外,还因焊接及应力集中容易产生裂纹,使船体结构的承载能力降低。为此,[方法]通过数值计算,研究双向受压载荷作用下含中心裂纹船体板的剩余极限强度。首先,提出计算含裂纹船体板剩余极限强度的参数化函数模型;然后,计算和分析影响其强度的因素,如裂纹长度、倾角和船体板细长比、长宽比以及横纵载荷比,并提出倾斜裂纹的有效投影长度参数;最后,基于计算结果,拟合得到双向受压载荷作用下含中心裂纹船体板的剩余极限强度计算公式。[结果]结果表明,运用计算公式得到的结果具有较高的精度,[结论]可用于对实船上含中心裂纹船底板纵向极限承载能力的计算分析。