轮印载荷下I型夹层板架结构静强度力学性能试验研究

现代舰船的直升机起降时会通过轮胎将载荷作用于飞行甲板的板架上,这种载荷通常被称为轮印载荷。除此之外,相对于传统加筋板结构形式,I型夹层结构具有轻质、高比强度等优点,是一种可以应用于船舶飞行甲板的新型结构形式。本文针对轮印载荷局部重载和位置不确定的特点,设计了合理的试验贴片方案及加载程序,并将试验数据与理论值对比,分析误差原因,研究I型夹层板架结构的板格在四种典型位置轮印载荷作用下的静强度力学性能。试验结果表明,夹层板架结构在载荷附近测点的应力水平较大,同时其上面板沿船宽方向的弯曲应力大于沿船长方向的弯曲应力,而下面板2个方向的弯曲应力特性与上面板相反。这些结论对于I型夹层板架结构在轮印载荷下的力学性能研究具有重要意义。     

轮印载荷作用下波纹型夹层板格强度特性分析

针对轮印块状载荷下的波纹型夹层板格结构,建立了应力分析计算方法。该方法基于Mindlin-Reissner板理论的夹层板格整体弯曲计算和经典板理论的芯材间上面板的局部弯曲计算,并将二者叠加得到轮印载荷下夹层板格总的弯曲特性。开发了基于MATLAB的计算程序,能方便地调整夹层板格尺寸及轮印块载荷的位置、尺寸和载荷值,计算相应的板格变形和各特征点应力值。讨论了结构尺寸参数、轮印载荷尺寸参数等对上面板局部弯曲应力及板格整体弯曲应力的影响特性,为这类结构的设计和优化提供有益的参考。     

舰船甲板钢质夹层结构设计

金属夹层结构在稳定性、抗爆抗冲击等方面具有良好的力学性能，在舰船领域有广阔的应用前景。为进一步研究夹层结构在轮印载荷下的应力特征，以特定单层甲板加筋板架结构为原型，设计相应的I型夹层结构作为研究对象，采用数值仿真进行分析，并通过缩比模型试验对计算结果进行验证。在此基础上，进一步研究夹层结构上下铺板厚度、芯层腹板厚度、高度和间距等参数变化对夹层结构强度和刚度的影响，提出相关建议，为舰船甲板夹层结构的设计和模型试验等提供参考。     

复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度研究

随着复合材料船舶建造尺寸越来越大,结构极限强度评估具有重要意义。本文基于后屈曲理论,通过渐进失效分析方法对复合材料夹层板架结构在组合载荷作用下的极限强度展开研究。首先通过与相关复合材料层合板试验及数值仿真结果进行对比,验证了本文渐进失效分析方法的准确性。然后,以复合材料夹层板架结构作为船舶上层建筑并考虑其受力特性,对具有初始缺陷且在轴向和侧向压力同时作用下的复杂受力状态的夹层板架结构进行计算,得到夹层板架结构的首层失效强度以及最终承载能力,并对失效位置做出预报。     

冲击波和破片联合作用下I型夹层板毁伤仿真

基于非线性有限元软件LS-DYNA,通过在TNT炸药底部布置预制破片模拟战斗部爆炸产生的冲击波与破片联合作用载荷,计算3种TNT炸药当量下I型夹层板的毁伤响应,分析冲击波单独作用及冲击波与破片联合作用下I型夹层板失效模式的差异,研究夹层板芯层配置以及上、下面板厚度配置对其失效模式的影响,并与等效实体板的抗毁伤性能进行对比。同时,从吸能的角度分析不同载荷工况下I型夹层板的吸能特性。数值仿真结果表明:在冲击波与破片联合作用下,结构的毁伤程度远大于冲击波单独作用时;当载荷强度较小时,I型夹层板的抗毁伤性能优于等效实体板;载荷强度、载荷类型(冲击波单独作用或冲击波与破片联合作用)及上、下面板厚度配置对I型夹层板的失效模式有较大影响;从吸能特性来看,在冲击波单独作用下,上面板和芯层是主要的吸能构件,而在冲击波与破片联合作用下,上面板和下面板是主要的吸能构件。     

冰撞载荷下Ⅰ型夹层板抗冲击性能研究

夹层板结构以其优异的耐腐蚀性能、高比强度、高比刚度等优点,广泛应用于修船、造船领域。本文以船用I型金属夹层板为研究对象,采用理论与数值方法研究冰撞载荷作用下夹层板的抗冲击性能。提出了适用于I型金属夹层板和冰碰撞问题的冰体材料模型,并对该材料模型进行验证,得出本文的仿真结果与ISO理论曲线及试验数据结果吻合较好,证明该冰体材料模型可以应用于夹层板和冰碰撞问题的数值仿真中。同时,将其应用于冰体和夹层板的碰撞仿真中,对比了传统板架结构与金属夹层板在冰载荷作用下的碰撞力和能量吸收,研究不同的夹层板撞击位置以及冰体形状对夹层板结构的抗冲击性能的影响,为新型夹层板结构的应用提供参考。     

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。     

大型邮轮甲板变高梁的应用分析

针对大型邮轮甲板结构设计中的变高梁的结构形式,以大型邮轮居住舱室局部甲板平台为例,采用有限元分析软件及参数化建模工具对普通强梁板架及局部变高梁板架进行强度分析,结果表明,在保证局部强梁剖面模数的条件下,采用变高梁设计的板架结构在强梁附近的弯曲应力比普通强梁板架的局部应力小,能够满足强度要求,对变高梁在大型邮轮中不同场景下的布置应用进行探讨。     

激光焊接夹层甲板板格强度计算的子模型方法

提出了基于有限元软件ANSYS的激光焊接钢质夹层甲板板格结构强度计算的子模型方法。分别对考虑激光焊接焊缝缺陷的I型夹层板格结构的壳单元计算模型和体单元子模型进行强度分析,并与全部体单元模型的芯层与上下面板连接处及面板中部处应力分布计算结果进行对比,验证壳单元计算模型和子模型方法用于计算夹层甲板板格强度的正确性。计算结果表明,对强度特征关注区域,可建立多个体单元子模型,确定子模型边界影响区域范围,从而可较为准确地评估夹层甲板板格结构强度特性,包括焊缝处应力分布。壳单元计算模型可获得较为精确的板格变形值,但无法考虑激光焊接焊缝缺陷,获得的焊缝处最大应力值明显偏小。     

空爆载荷下U型夹层板抗爆性能数值仿真研究

力学性能优越的夹层板结构在飞机、高速列车等交通运输领域得到广泛应用.为研究U型夹层板空爆载荷下的损伤特性,利用有限元软件MSC.Dytran分析U型夹层板空爆载荷下的损伤变形模式、耦合力、结构位移、速度、加速度、吸能,并与加筋板架对比;应用正交试验设计方法分析结构参数对抗爆性能的影响程度及较优的尺寸组合.分析表明:冲击载荷下U型夹层板上下面板的变形模式为膜拉伸,产生波浪式变形;夹芯层易于压皱变形,减少了对上面板冲击载荷的传递,同时夹芯层吸能效率较高,使得上面板的塑性变形显著减小;夹层板上下面板位移、速度、加速度、吸能均小于加筋板,表现出优良的抗爆性能.结构参数对夹层板抗爆性能影响程度的主次顺序为:夹芯角度、上面板厚度、夹芯壁厚度、下面板厚度;经验证,优化尺寸后的夹层板抗爆性能显著提高.     

Research on the dynamic buckling of a typical deck grillage structure subjected to in-plane impact Load

The dynamic buckling of the main deck grillage would result in the total collapse of the ship hull subjected to a far-filed underwater explosion. This dynamic buckling is mainly due to the dynamic moment of the ship hull when the ship hull experiences a sudden movement under impact load from the explosion. In order to investigate the ultimate strength of a typical deck grillage under quasi-static and dynamic in-plane compressive load, a structure model, in which the real constrained condition of the deck grillage was taken into consideration, was designed and manufactured. The quasi-static ultimate strength and damage mode of the deck grillage under in-plane compressive load was experimentally investigated. The Finite Element Method (FEM) was employed to predict the ultimate strength of the deck grillage subjected to quasi-static in-plane compressive load, and was validated by comparing the results from experimental tests and numerical simulations. In addition, the numerical simulations of dynamic buckling of the same model under in-plane impact load was performed, in which the influences of the load amplitude and the frequency of dynamic impact load, as well as the initial stress and deflection induced by wave load on the ultimate strength and failure mode were investigated. The results show that the dynamic buckling mode is quite different from the failure mode of the structure subjected to quasi-static in-plane compressive load. The displacements of deck edge in the vertical direction and the axial displacements are getting larger with the decrease of impact frequency. Besides, it is found that the dynamic buckling strength roughly linearly decreased with the increase of initial proportion of the static ultimate strength P₀. The conclusions drawn from the researches of this paper would help better designing of the ship structure under impact loads.     

国内船舶结构稳定性研究进展

综述了国内船舶结构稳定性研究现状.根据结构形式的不同,分别介绍了板格和加筋板以及板架稳定性研究成果;根据中垂时甲板板架所受压应力最大,介绍了甲板板架的稳定性研究成果;根据结构形式的特殊性,介绍了双层板架和大开口板架的稳定性研究成果;并对稳定性的可靠性分析和方法论方面的研究成果做了简单介绍.指出对大跨度、大开口、双层板架的稳定性问题需要进一步开展研究.     

水下爆炸冲击波作用下船体舱段变形试验研究

对舰船实尺度舱段在水下爆炸载荷作用下的船底板架变形进行了试验研究及理论分析。以舱段在水下爆炸的试验现象及结果为基础,通过平板模型求解药包在水下任意位置爆炸时舱段的刚体运动特性,以冲击波的入射能减去舱段刚体运动动能作为船底板架的弹塑性变形能,利用能量法,对船底板架应用薄板的大挠度弯曲理论进行局部变形求解。试验结果及理论分析表明:舱段模型在水下爆炸过程中会产生较大的刚体运动,船底外板变形区域主要集中在纵桁和实肋板交叉的板格内,理论求解的板格最大变形与试验结果较为一致。该文结果可对船体外板变形计算及局部强度考核提供数据及理论的参考。     

I型金属夹层结构连接构件强度数值计算方法

激光焊接钢质夹层结构在国外已用于实船,其连接构件的强度特性是设计者关注的关键问题之一。应用有限元分析软件ANSYS,提出采用壳体连接技术和子模型法,对I型金属夹层结构的两种典型连接构件进行强度分析。通过与全部体单元模型计算结果进行对比,分析了多点约束、自由度耦合、约束方程和端面壳4种壳体连接方法和子模型法计算连接构件在面内、面外载荷作用下强度的计算精度。结果对比表明,在主模型网格划分合理的情况下,采用端面壳、壳—体多点约束的子模型法可取得较好的计算精度与操作简便性的平衡,同时,还可大大降低计算规模。     

化学品船不锈钢舱热应力分析

以不锈钢舱化学品船的货舱区域平行舯体为模型来计算温差应力，并用于整个货舱区域。计算得出的温度载荷反映了航行和停？白状态下的满载和部分装载状态；将温差应力与静水弯曲应力、波浪弯曲应力以及液货和海水产生的静应力和动应力进行合成，最终结果对照许用应力，对全船和局部弯曲强度进行校核；同时研究了由于温差应力的存在对桁材轴向弯曲和剪应力、失稳强度、焊接（型式和尺寸）、开VI（形状，位置，局部加强等）的影响。     

端面转角对板架结构极限强度的影响研究

文章以单层板架、开孔单层板架和双层板架为研究对象,采用非线性有限元法,开展了端面转角对板架结构极限强度的影响研究。首先对单层板架、开孔单层板架和双层板架在不同端面转角下的极限强度进行了系列数值计算,然后对比分析其极限载荷和失效模式,获得了端面转角对板架结构极限强度的影响规律,为开展甲板板架结构极限强度试验提供方法参考。     

横向不对称装载对集装箱船底部板架强度的影响分析

随着超大型集装箱船船宽的增大,其底部板架横向应力日趋受到关注。文章以集装箱船货舱区船底板架为研究对象,基于舱段数值仿真方法,考虑多种横向不对称装载型式、装载工况和动载荷工况,分析集装箱船底部板架的应力响应特点,讨论横向不对称装载型式对船底板架局部强度和应力分布的影响规律,并基于不同类型动载荷工况初步探讨其对横向不对称装载下的船底板架影响。研究结果表明,横向不对称装载下高应力点分布具有相似性,应力水平较原对称装载升高,校核集装箱船强度中建议考虑实际可能的横向不对称装载型式的影响。     

Ultimate strength assessment of stiffened panel under uni-axial compression with non-linear equivalent single layer approach

Steel stiffened panels are widely used in engineering design and construction. However, numerical modeling and analysis effort for a three-dimensional (3D) stiffened panel may be notable, especially for the ultimate limit state of ship structures. Therefore, a homogenization method is outlined that transforms 3D stiffened panel into an Equivalent Single Layer (ESL) concerning the same mechanical behavior. ESL stiffnesses are obtained with a unit cell analyses based on stiffened panel where periodicity is imposed with boundary conditions based on a first-order shear deformation theory (FSDT). Stiffnesses were determined from the first derivative of a membrane force and bending moment obtained with numerical simulations. The effect of initial imperfection shape was included in the analysis to account for local and global buckling behavior. ESL with non-linear stiffness was implemented in Abaqus UGENS subroutine, allowing incremental evaluation of stiffness. Ultimate strength prediction of a steel grillage model with ESL finite element analysis was in excellent agreement with detailed 3D FEM analysis. The key in this analysis was consideration of non-linear ESL stiffness as linear analysis was unable to detect the point where ultimate strength capacity of the grillage was reached.     

Plastic deformation of ship plate subjected to repeated patch loads at different locations - Elastoplastic numerical analysis and design equation

Ship structures may be subjected to repeated random patch loads at different locations. Under these circumstances, ship plates will have large accumulated permanent deformations, which will result in some serious negative effects on their work and safety performance. Therefore, the elasto-plastic response of ship structure under repeated patch loads at different locations are studied by using finite element method. The permanent deformations of plate in the whole loading and unloading process are investigated. In addition, the residual stress and plastic strain states of the panel and stiffeners are studied based on a typical wheel-on-deck interaction scenario. Moreover, according to Hughes's hypothesis, the equivalent method between repeated patch loads at different locations and full uniform pressure load is studied. Considered the influence of plate slenderness, the improved formula for equivalent load coefficient is proposed, showing a good correlation with experimental data and numerical results. The proposed equivalent method can be used for estimating the permanent deformations of ship structures under repeated patch loads at different locations in ship life.     

全船有限元简化方法在总纵强度计算中的应用

采用全船有限元总强度计算的简化方法,阐述了具有长上层建筑、大开口、全通甲板的船舶在垂向弯矩作用下的总强度应力分布情况,提出了非常规结构船舶总强度计算方法,分析了上层建筑参与总强度的有效度。对有效避免波浪载荷及平衡力计算带来的总强度计算误差和庞大的计算工作量,缩短计算周期以及优化结构等提供指导。