英语原文共 24 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
通过船体梁极限装载组合分析设计10000箱集装箱船的安全余量
摘要：在组合的波浪载荷下，对船体梁极限纵向强度的估计是非常重要的，尤其对具有甲板大开口和低扭转刚度的船舶。在这些情况下，当船舶在斜浪中航行时，水平和扭转弯矩可能达到甚至超过垂直弯矩。这篇文章通过考虑船中部区域货舱的结构非线性和除去水动力载荷的组合的影响，提出了一种估算10000箱集装箱船极限强度的直接计算方法。应用非线性有限元分析，可以进行强度的精确估算。通过互谱的方法以及短期和长期的统计规划，在不规则的航道中，主要的全球不计波浪的载荷成分和它们的组合的设计极限值可以被预测。最终，可以确定极限承载力和最大期望弯矩之间的安全余量。
关键词：非线性有限元分析、船体梁极限强度、载荷组合、集装箱船。
命名：
材料屈服强度
平板长度
包括加强筋的底面积
包括加强筋的甲板横剖面面积
包括加强筋的船体舷侧面积
框架内部板的宽度
平板宽度
型深
纵向力
水平剪切力
垂直剪切力
扭转力矩
垂直弯矩
水平弯矩
施加的水平剪切力
施加的纵向力
施加的垂直剪切力
甲板区域中心到中性轴的距离
加强筋的高度
设计荷载
施加的水平弯矩
全塑性力矩
施加的扭转力矩
施加的垂直弯矩
扭转极限强度
垂直弯曲极限强度
平板厚度
加强筋侧偏转
加强筋偏转振幅
柱偏转
柱偏转最大振幅
平板偏转振幅
平板偏转
塑性剖面模数
1 引言
为了在船舶结构设计评估中继续推行，用极限状态的分析方法船体事故统计呈现下降趋势的进程。创新的研究与进展目的是为了保证在严格成本要求下的财产安全和环境保护。极限状态直接地比较满足需求的能力，并且被广泛应用到在具体情况中的部分安全因素的组合。在这篇研究中提到的极限状态设计，可以使较低安全余量的使用提高经济性，同时维持一个充足的安全水平。
在现代船舶结构设计中，能力通常为强度的衡量，而需求通常为预测的极限装载情况。或许船舶最需要的强度测量是在纵向弯曲下的船体梁极限能力。这项测量传统上被称为船体极限强度，是在纵向弯曲情况下的船体能力的一种测量。从史密斯、上田和拉希德的工作可知，在已产生的极限强度问题中已经得到很多进展，他们都提出了预测在纵向弯曲弯矩下船体梁的连续崩溃的简化方法。这些方法的进展已经被建议在纵向弯曲中一般的使用用于完好和破坏的船体。史密斯的方法已经被合并至最新的散货船和油轮统一公用结构规范中。具体地通过叠加剪切和扭转的效应，不同的全局装载组合已经被考虑。例如，大甲板开口造成的低扭转强度的现代集装箱使这些应用打破了现实中的技术背景。
这篇文章表明纵向弯曲载荷的随机组合引起的扭转如何产生船舶寿命周期内的强度安全梯度。这个方法用两步对全部荷载的安全余量进行了客观的预测。首先，在结构的生命周期中发生一次由全球海浪引起的最极端的荷载组合是可能的，随机地被估算通过一个交叉谱概率分析方法。其次，船体梁的承载能力与极限强度分析相连地被估计进而确定安全余量。组合的极限强度计算通过应用非线性有限元方法被估算。一个现代10000TEU集装箱船案例的数值结果以交互图标的形式被呈现，传统意义上验证了在中拱和中垂情况下，极限装载组合和极限强度之间的安全余量。
2 背景
2.1 船体梁的纵向强度
近几年，许多方法已经被船级社和船舶制造商采纳用来估算船体梁的承载能力。Young是第一个计算由船体梁、货舱的重量分布以及浮力、波浪力引起的
剪切力和弯矩在船体梁长度的分布。Caldwell尝试了板屈曲效应的合并，完成了船舶垂向弯曲强度的估计。他使用了一种简化的程序，即在船舶中垂情况下船中横截面的极限弯矩能力被计算通过介绍压缩中的纵向板的强度衰减的结构不稳定性因素的概念。然而，强度衰减因素的量纲在那时并不是很清楚。Faulkner通过建议一种计算这种衰减因素的设计方法深入扩展了这个概念。通过Ayyub和Caldwell最初的方法假定在理想弹塑性条件下，当船体的整个断面包括舷侧的材料达到屈服状态，可能的最大极限崩溃会发生。这个方法建议通过采纳标准的纯塑性弯曲方法，在屈服极限情况发生之前，结构屈曲部分的板和纵向加强筋显然存在屈服的可能性。这种简化意味着全塑性崩溃弯矩MP可以通过下式计算：
(1)
MP：全塑性弯矩；：材料屈服强度。
（2）
ZP：塑性剖面模数；Ad：包括加强筋的甲板断面面积；AB：包括加强筋的底部面积；AS：包括加强筋的一边舷侧的面积；D：型深；g：甲板面积中心到塑性中性轴的距离，由下式决定：
（3)
在定义的两种失败模型下，Kaplan已经提出了与方程（1）~（3）相似的表达去描述船体梁的极限弯曲能力。一种失败的结果是来源于由于纯弯曲导致的船体梁的第一次屈曲，另一种失败的结果来源于船体梁全断面（包括舷边舱）的全塑性屈服。这些方法假定船体梁是一个有着统一平板厚度的箱型梁，并且由于它们确定的特性，普遍被认为是最直接的方法。它们没有考虑最初的材料和几何上缺点的影响，包括最初的变形量和两根纵桁之间的平板的残余焊接应力。
Smith,Billingsley,Adamchak和Dow开发了一种增加曲率程序，可用作全船弯矩—曲率关系的来源。这个程序普遍上被叫做“史密斯方法”。这个程序是基于有限元法则但是平板单元程度是源于经验曲线。这个程序包括在纵向弯曲情况下的船体梁的一个断面的渐进屈服分析。全部的船体梁断面被分为曲板和装配的加强筋组成的小的单元。独立单元的平均应力—应变关系是在考虑了渐进屈服分析进程中的屈服和屈曲影响下的拉伸压缩的轴向载荷下首次被导出的。这个方法假定平面断面保持着平面并且每个单元是根据它的平均应力—应变关系展现的。这个方法解释了屈曲、结构构件之间渐进的、相互影响的响应、在结构构件初始屈曲之后的船断面的载荷再分配、以及在最初屈曲甚至是屈服之后的结构构件的剩余强度。这个反线弹性理论假定一个船体断面持续的最大限制弯矩与第一次屈服的弯矩相等。
其他方法比如Chen 的方法是基于非线性有限元的。Harada 和Shigemi已经演示了一条双体VLCC一系列非线性有限元分析和一个岬尺寸的散货船来获得中拱和中垂状况下的极限纵向强度。
一种运用Ueda提出的理想化结构单元法的渐进屈服分析已经被Paik 和Thayamballi所提出。这个方法通过考虑最初偏转和焊接残余应力来估算船体梁极限强度。
2.2 组合装载下的船体梁强度
集装箱船的低扭转刚性使得其对广泛的扭转型式是敏感的。在集装箱船的极限强度分析中，即使扭转问题会对船体梁的极限强度能力局部限制，因此研究扭转的附加效应是值得的。
在这个问题上典型的案例有Ostapenko ,Vaucher,Moore关于所有组合载荷下扭力影响的研究。最近，Paik研究了船体梁扭转的极限强度。他们的研究通过引入以结构间断（敞开或闭合的甲板区域）的方式下适当的边界，考虑了在扭转时翘曲应力的影响。他们得出在闭合区域的连接点处限制翘曲的开口，可能会导致巨大的应力集中。在实践中，在平行中体区域的有限元模型中的边界限制会降低一些应力集中。这就意味着一个长的区域，比如3个舱室的模型，应该确保其边界效应被最小化。
在Paik的研究中，在各种船体梁区域的载荷成分下的极限强度通过同时并按比例地运用各种载荷成分也被进行数值计算，或者是通过递增地应用一种或众多的载荷成分直到达到极限状态下的极限能力，此时剩余的载荷成分一种恒定的预期幅度被保持。
在Paik文章中提到的分析采用ISUM的改编进行。
基于一条典型4300TEU的集装箱船的计算结果，在组合扭转和垂向弯曲相互关系下的极限强度通过以下的曲线拟合来获得：
中拱：
中垂： （4）
式中：:垂向弯矩（中拱和中垂）；
：扭转力矩；
:极限强度垂向弯矩（中拱和中垂）；
:极限强度扭转力矩。
Paik方程中的指数可以通过判断椭圆间的丰满来进行调整。这个不同形状和大小的船舶是十分必要的。
3 组合载荷分析方法
3.1 流固耦合整体框架
本篇文章中所完成的分析是流固耦合方法中用来估算一个开口区域船体梁在组合载荷下设计能力余量的一部分。载荷预测是应用交叉谱概率预测方法完成的，此方法在Refs的文章中写到过。强度通过有限元方法进行确切地估算。此方法的一个逐步的简要总结纲要如下所示：
- 决定船舶模型的接收到的响应的振幅；
- 在操作简介的基础上指定一个适当的波浪散步；
- 提出一个交叉谱概率分析方法去预测一种理想的最极致的波浪载荷和其他相关的波浪载荷；
- 为了确定组合载荷下的结构能力，在载荷的组合下完成船体梁的结构强度分析；
- 通过比较在第三部分中确定的组合极端载荷和第四部分中的组合极限强度能力来确定设计能力余量。
这篇文章展现了一个10000TEU集装箱船的第四步和第五步的示例应用程序。步骤1-3已经由Refs完成。在一条集装箱船的真实波浪载荷实例中，一切极端的全球波浪载荷可以与给定的主要极端全球波浪载荷有关。为了简化起见，这篇文章把重点放在垂直弯矩和扭矩的组合的理论上。一个考虑其他全球载荷例如水平弯矩等更多细节的研究已经在Ref中被提出。
3.2 结构分析方法
NLFEM被用来完成在组合载荷下的结构能力分析。这个被比作是应用方程(4)对组合载荷的简化表示。纯垂直弯曲结果被比作是使用史密斯方法得到的计算。这篇文章的分析的目的是得到扭转对纵向弯曲极限强度的影响。检查到的动态载荷实例最大化了有争议的载荷成分和快速记录同时作用的其他载荷成分。对于集装箱船的示例，由于其是开口甲板船舶，在斜浪（因此大多数的频谱）中的扭矩将会被控制（也包括以梁的方式/首浪在内与垂直弯矩耦合）。因此，运用两步的准静态程序完成了NLFEM的计算。步骤一适用于船体梁模型具体的扭转载荷。然后在步骤二中提到了恒定扭转载荷，同时垂直弯矩的增量被应用用来得到曲线控制下的极限强度弯矩。在描述的序列中应用的载荷是在纵向弯曲是极限强度的控制成分的假设下。扭转，首先被应用到的，产生了平板了剪切载荷，主要在内外壳之间的封闭循环内。这可能会导致剪切屈曲，这对平板的面内强度有着不利的影响。剪切平板被放置在第二步分析步骤用到的平板弯曲载荷。用这种方法，由扭转引起的剪切载荷对纵向极限强度的影响可以被估算。在真实情况下，逐步增大的扭转和弯曲载荷可能会在某个阶段产生。这个可能会对板的承受面内的载荷的效应产生一定的影响。然而，在特定事件中的载荷的确切顺序可能很难去预测，因此这里提到的方法在全部弯曲中被认为是提供扭转影响的合理的测试的合适的方法。
4 结构建模和加载的非线性有限元分析
4.1 船舶构件尺寸
10000TEU集装箱船的有限元模型是从图1和表1-3产生的，表1代表由表1-3定义的结构元素的集装箱船舶横向中间区域。关于结构用钢的强度规格如下所示：
XH的结构尺寸是HT36钢：；
XH40的结构尺寸是HT36钢：。
式中：X代表A，D或E。这些符号代表被用作大部分纵向舱壁上部分的平板元素的更高强度钢分级。例如，图1中所看到的，距离为19082mm的纵向舱壁从基线到第二层甲板是由非常厚的73.0EH钢板和主要为400times;75DH的加强筋所组成。弹性塑性理想应力—应变曲线被应用于所有材料。
4.2 有限元模型
用CAE模拟的集装箱船的3部分舱室有限元模型如图2所示。其中包括分隔舱室的横舱壁，以及54个框架间距为791mm的内框架。
图3所示的网状模型由717687个S4R类型的线性四边形元素和47186个S3兼容的线性三角形元素。S4R是一个4节点双曲面一般目的壳体元是能减少整合，这使得它在计算上更便宜，而S3是一个3节点的三角形一般目的壳体元。网状模型是由S4R占主导地位的，而S3是用于包括角隅以及两种网格尺寸过渡的复杂区域。
除了模型壳单元的选择，网格尺寸也是基于相关性和区域决定的。例如，认为对船体梁的纵向强度特性有重大影响的纵向结构单元，如纵向舱壁、船底板、舷侧壳板、包括舱底的纵向加强筋，建议最优的网格尺寸为200mm。因此，例如，在底部和舱底纵桁之间有四个单元。表4展示了应用于集装箱船船体梁图3所
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[149995]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
