任意边界下多跨梁弯曲计算及其工程应用

[目的]为了快速寻找到甲板结构在轮印载荷下的最危险工况,[方法]针对任意边界条件下多跨梁弯曲问题,首先利用改进的傅里叶级数方法(IFSM)描述多跨梁的位移函数,列出位移函数需满足的边界方程,并求解得到级数中各系数间的关系式;然后,基于哈密顿原理得到能量控制方程,采用伽辽金方法求解出满足边界条件的梁结构位移函数,通过算例,与有限元结果进行对比,验证此方法的正确性;最后,将该方法应用于轮印载荷下多跨梁最危险工况的计算中。[结果]结果表明,所用方法的计算结果与有限元结果的误差小于0.05%,具有很好的精度。[结论]相比有限元法,所用方法求解多跨梁最危险工况的速度得到极大提高,同时结合遗传算法,可获得更为精确的轮印载荷最危险工况的作用位置。     

轮印载荷下多跨梁最危险工况分析与优化

多种轮印载荷工况作用于船舶多跨梁结构时,找到最危险工况并进行结构优化设计,对于船舶结构的安全校核与降低结构重量有重要意义。提出一种将遗传算法与有限元方法相结合,以多跨梁上轮印载荷的布置位置为设计变量,载荷间的间距大小为约束条件,每一跨的最大弯矩和最大剪力为目标函数,求解任意多跨梁上有多种轮印载荷作用时最危险工况的方法,并根据最危险工况分析的结果调整支座位置,降低多跨梁最大弯矩,并进一步进行构件尺寸的优化设计。计算结果表明:基于提出的多跨梁优化设计方法,能找到每一跨应力满足强度要求的剖面积最小的构件尺寸,且构件尺寸的变化对最危险工况时的最大弯矩与轮印载荷位置几乎没有影响。调整支座位置的优化方案,与支座初始位置方案相比,最危险工况时的最大弯矩降低22.64%,重量降低10.55%,因此支座位置的调整,能有效降低最危险工况时的最大弯矩,从而达到降低多跨梁重量的目的。     

多跨失稳的船体梁极限强度的Smith法修正研究

为了考虑多跨失稳对船体梁极限强度的影响和拓宽Smith法的适用范围,分别对两端弹性支持的横梁和一端弹性固定横梁支撑的纵骨,提出多跨失稳的纵骨梁柱屈曲载荷-端缩曲线的计算方法,并推导了相应的公式。采用多跨失稳理论和非线性有限元法,进行大跨度甲板板架的极限强度计算,分析纵骨截面惯性矩、纵骨间距、横梁间距、横梁跨距、横梁截面惯性矩、横梁数目、纵桁长度和扇形惯性矩等因素对纵骨多跨失稳极限载荷的影响。应用论文建议的公式和非线性有限元方法,对一艘115000 DWT单舷侧散货船进行了触底和碰撞破损后考虑多跨失稳的船体梁极限强度计算和相互比较。计算结果表明,论文建议的方法具有较高的精度。     

搁置脚载荷作用下的甲板压力分布特征实验和数值分析

[目的]船舶上装载物的搁置脚与甲板之间存在着复杂的接触关系,不能简单地将搁置脚载荷视作均布载荷来处理。为探讨在搁置脚载荷作用下船舶甲板结构的压力分布,[方法]以某大型装备的搁置脚为例,首先采用有限元方法对其进行非线性接触数值计算,并分析在甲板板上的压力分布特征。然后,通过实验验证搁置架与甲板的接触力分布规律,并在此基础上提出一种运用等效轮印载荷代替搁置脚载荷的简化计算方法,以此将复杂的非线性接触计算转化为线弹性计算。[结果]结果表明,搁置脚与甲板之间的接触力主要分布在强横梁处和搁置脚前端,其中搁置脚前端的接触力使甲板板具有较大应力,该应力约占总载荷的25%;实验结果与数值计算结果吻合较好。[结论]所提简化计算方法对此类甲板设计及强度计算具有较好的实用性。     

舱内爆炸载荷下箱型梁船体节点结构强度分析

[目的]为了研究箱型梁典型节点结构在舱内爆炸下的结构强度,[方法]基于ANSYS/LS-DYNA显式动力有限元软件,首先建立箱型梁船体舱段结构的有限元模型。然后,采用ALE算法开展舱内爆炸载荷下舷侧箱型梁与强横梁连接处不同型式节点结构的动态响应数值计算。最后,在给定的炸药当量和爆点位置情况下,获得舱室结构的整体变形和破坏模式,并分析在不同节点结构设计方案下典型位置的应力特征。[结果]计算结果表明:舷侧箱型梁与强横梁连接处圆弧式和肘板式节点结构的应力峰值与甲板破口尺寸基本相当;从舱壁撕裂长度来看,肘板式稍逊于圆弧式,在中间箱型梁与强横梁连接处,圆弧连接最优,单侧肘板次之,双侧肘板最差。[结论]所得到的数值计算结果可为箱型梁节点连接结构的工程应用提供有益的参考。     

钻井船月池区舱段有限元典型设计工况

现阶段各船级社规范对钻井船舱段有限元法的载荷选取与装载工况制定并未形成统一意见，这对结构设计造成较大的困扰。针对这一问题，对某型钻井船月池区舱段有限元分析方法与载荷选取思路进行阐述，同时对设计装载工况开展大量对比计算，通过结果分析得出一套典型装载工况与舷外水压力方向组合方式供参考。对比船体梁理论法与全船有限元法的计算结果，对舱段典型工况选取的必要性进行分析，以避免过分保守导致结构经济性下降。     

船舶骑冰事故下船体梁结构强度特征分析

[目的]针对船体梁与冰层相互作用后的结构强度变化问题,提出骑冰工况下船体梁结构强度分析方法,揭示相应的结构强度特征。[方法]首先,建立船体梁结构强度分析模型,并根据各分段属性建立对应的船体梁载荷分析模型;然后,在载荷分析模型中求解得到骑冰工况的浮力分布并代入结构强度分析模型中,以考虑骑冰带来的浮力变化;最后,施加重力及冰层支反力,进行结构强度计算,并分析抬升位置和抬升高度对船体梁浮力、剪力、弯矩以及局部应力分布的影响。[结果]结果显示,当船首抬升高度变化时,船体梁存在浮力与剪力不随抬升高度变化的点,该点分别位于船体梁后半段以及船中;当抬升位置位于球鼻艏时,该部位的舷侧外板更接近于垂直,不利于抵抗冰层支反力,导致高应力面积相对较大,更危险。[结论]采用所提方法能够计算船体梁结构在船首大幅度抬升情况下的结构响应,计算效率高,可初步判断危险骑冰工况下船体梁的结构强度。     

气垫船着陆垫与车辆甲板之间的非线性接触分析

气垫船着陆垫与车辆甲板之间构成非线性接触问题，通过有限元方法，计算并分析不同工况下由接触导致的甲板各构件的最大应力和最大位移值，并与采用均布载荷直接加载在甲板上的线弹性计算结果比较，得出最危险工况，并通过一简单算例分析了结果的合理性。     

大型邮轮中央大厅结构直接计算研究

[目的]中央大厅是邮轮上层建筑中一种重要空间功能性舱室,其结构具有板厚薄、跨度大、支撑少、载荷复杂等特点,为结构设计带来了较大的难度。亟需提出一种可靠便捷的中央大厅结构分析评估方法,用以指导结构设计工作。[方法]以中国船级社（CCS）《邮轮局部结构直接计算指南2021》为主要依据,结合中央大厅结构载荷特点,开展邮轮中央大厅结构直接计算研究。直接计算研究中,结构所受载荷被等效并简化为总纵弯矩载荷、垂向剪切载荷、以及局部甲板载重的叠加。[结果]结构直接计算结果与全船有限元仿真结果吻合较好,验证了将直接计算流程应用于邮轮中央大厅结构设计研究的可行性。[结论]研究结果可为大型邮轮中央大厅结构设计计算流程提供参考。     

铝合金加筋板轮印载荷的简化等效模型

将轮印载荷等效处理为接触区域内的均布压力是目前大多数研究通常采用的方法,但简化的均布压力与实际的接触压力明显不同。基于此,本文以子午线轮胎-铝合金加筋板为研究对象,模拟现实中不同轮胎压载方式下产生的轮印载荷。基于能量法提出使用补偿系数β的圆形均布压力代替实际轮印载荷的等效简化方法,讨论不同加载工况、轮印位置、加筋板结构参数对补偿系数β的影响,最后通过具体的工况算例分别从加载区域、加筋板的最大应力值、加筋板上应力状态分布,验证均布加载补偿系数β的合理性。研究结果表明,本文提出的方法可以有效替代为轮印载荷的简化等效模型,并且与基于规范的计算相比,该方法的计算精度更高。本文提出的补偿系数β用于加筋板最大应力值的预测时,预测精度平均提升33.99%,对此类甲板设计以及强度计算有较好的实际工程应用价值。     

开孔群式上层建筑一体化船型多重突变结构计算分析

从开孔群式上层建筑一体化船型存在的阶梯型断层式上层建筑、密集大开孔群和左右舷外板不对称等多重突变结构出发，借助三维有限元分析技术，以船体梁横剖面惯性矩和船底外板剖面模数等船体梁剖面固有特性参数为设计切入点，探讨多重突变结构对船体梁总纵强度设计的影响和各甲板层构件对船体梁剖面惯性矩的贡献。此类船型大多负有在高航速、高海况条件下开展临危作业的使命，因此从工程实际的角度实现总体装载与船体结构设计的互动反哺式设计是首要任务。基于船体梁剖面惯性矩贡献的船舶设计方法可为此类船型的工程设计提供参考。     

某半潜驳甲板载荷结构分析

半潜驳作为一种特殊的工程船,主要在码头建设过程中用来装运和沉浮大型混凝土沉箱或大型钢结构等,对其甲板上的载荷结构进行分析对甲板结构设计至关重要。以某装载特种装备的6000吨级半潜驳为研究对象,对其甲板载荷结构进行分析。由于该半潜驳在原有承载大型沉箱结构的基础上增加了装载特种装备的需求,因此需计算分析2种装载条件下甲板载荷的要求,并对甲板结构进行优化,从而降低建造成本,提高经济效益。     

一种考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度的计算方法

提出一种实用的计算和分析方法来考虑砰击载荷对双体船湿甲板处结构疲劳强度的影响,保证疲劳寿命预报的精度。首先,根据线性理论计算船体与波浪之间的相对运动和相对速度,并计算船体结构在波浪载荷作用下的应力响应;然后,计算湿甲板在砰击载荷作用下的非线性响应,再将线性响应与非线性响应通过方向性进行叠加,得到波浪载荷与砰击载荷联合作用的应力响应时历;最后,通过雨流计数法计算双体船在危险工况下的湿甲板疲劳损伤。研究结果可为考虑砰击载荷的双体船湿甲板疲劳强度评估提供一些参考。     

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。     

内压下矩形耐压舱内部结构优化设计

[目的]为有效降低内压下矩形耐压舱板架弯曲应力,[方法]分别提出内压下矩形耐压舱内部平台位置和支柱布局以及尺寸优化设计数学模型。以内部平台垂向位置作为设计变量,极小化横纵舱壁结构的最大弯曲应力,采用遗传算法求解,得到最优的内部平台布置位置,其优化结果接近垂向均布。支柱设计采用分级优化设计方法,先以等刚度支柱位置作为设计变量,极小化顶甲板结构的最大弯曲应力,分别得到不同支柱数量下的最优布局方案;然后依据应力约束条件选取支柱数量及布局,在此基础上进一步以支柱截面尺寸作为设计变量,以基础优化方案的重量作为约束,极小化顶甲板结构的最大弯曲应力,得到不等刚度支柱最优截面尺寸。[结果]其优化结果显示偏中心区域支柱截面积更大。最终优化设计方案较初始方案,横舱壁、纵舱壁和顶甲板弯曲应力分别降低了28.3%,25.7%和13.9%。[结论]本优化设计方法可为类似结构设计提供方法参考和设计借鉴。     

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。     

一种用于LNG软管输送系统紧急脱离装置的有限元分析

为保证一种LNG软管输送系统的紧急脱离装置在紧急状态下能使LNG低温软管快速分离,分析紧急脱离装置结构强度,设定10种不同工况,通过线性叠加得出载荷力最大和容许应力最低的两种危险工况,分析紧急脱离装置在最危险工况下是否能满足结构安全要求,有限元计算结果显示最危险工况下的载荷力和许用应力均在设计范围内,结构设计合理,整个装置最大应力出现在抱箍安装端圆柱轴根部,建议加强该部件强度。     

风电安装平台总体结构强度计算分析

介绍了风电安装船的工作流程。依据线性微幅波理论以及莫里森公式,采用水动力方法确定设计波参数,进行了升降工况、作业工况、自存工况等载况下的波浪载荷预报,得到了四个桩腿上的波浪流诱导载荷[1][2]。在此基础上建立结构三维有限元模型,对整船结构在各个计算工况下的应力分布情况进行了分析,列出了主要结构部位在不同工况下的最大应力,提出了总体强度及结构设计的关键要素,可为今后风电安装作业平台的结构设计提供参考。     

任意边界及耦合条件下的多跨梁结构振动特性

[目的]为了克服边界及耦合条件对多跨梁结构振动特性研究的束缚,[方法]基于欧拉梁理论模型,采用Rayleigh-Ritz法建立多跨梁结构振动计算模型,对其在任意边界和任意弹性耦合条件下的自由振动特性进行研究。在传统三角余弦级数的基础上,引入4项辅助正弦三角级数,改善以往求解过程中在边界处存在的不连续或者跳跃现象。将位移容许函数的未知傅里叶展开系数看作广义变量,结合Rayleigh-Ritz法对其求极值,将结构的振动特性问题转换为求解一个标准特征值问题。[结果]通过与有限元计算结果进行对比,验证了收敛速度与计算精度。[结论]所得结果可为多跨梁结构的工程应用提供理论参考。