箱型梁加强甲板结构极限承载能力分析
薄壁箱形梁极限强度计算方法研究.
武汉理工大学硕士学位论文薄壁箱形梁极限强度计算方法研究姓名：徐素明申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：杨平20040301武汉理工大学硕士学位论文摘要船体结构的极限强度问题是船舶结构设计中的重要问题，历来受到船舶结构力学工作者的高度重视。
传统上，船体总纵极限强度的计算采用的是经典的线弹性理论。
但随着对船舶破坏机理的认识和研究发现，在研究船体的总纵极限强度时。
必须考虑构件的屈曲、屈服等各种可能的破坏模式，要考虑受压构件屈曲后及崩溃后的非线性性能的影响。
要考虑组成船体的各个构件发生破坏的渐进性质和相互作用等。
由于计及了材料的和几何的非线性因素，总纵极限强度的计算变得非常复杂。
目前，计算总纵极限弯矩的方法主要有四种，即非线性有限元法，理想结构单元法、直接计算法和简化方法。
用非线性有限元方法计算船体总纵极限弯矩，向来工作量大、代价昂贵，但它是精度更高的一种方法，其它的计算方法往往都以非线性有限元的计算结果为参考。
因此，如果能够对实船用非线性有限元法获得计算结果，所得的数据及计算中得到的经验都将是十分宝贵的。
随着现代力学、计算力学以及计算机技术在软、硬件方面的发展，有限元分析无论是在理论，还是在计算技术方面都已取得了巨大的进步，很多通用有限元程序和专用程序都投入了实际应用，对结构进行有限元分析所需要的费用也迅速减少。
当今国际上流行的有限元软件有ＭＳＣ／ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＡＲＣ、ＡＤＩＮＡ、ＡＬＧＯＲ等，它们提供了友好的用户界面、强大的计算分析功能和前后处理功能，并与多种图形软件提供了接口，如ＵＯＩ－ＤＥＡＳ，ＣＡＴＩＡ，Ｐｒｏ／Ｅ等。
有限元法已经被广泛地应用到航空、航天、汽车、船舶、水利、医学和生物等现代科学的各个领域。
一些已有的计算分析表明，对于大型通用有限元软件，只要合理地模拟结构的受载方式，模拟材料的非线性性能，采用合理的单元类型和网格尺度，并综合考虑极限强度分析的各种因素（如结构的残余应力、初始变形、材料的非线性性能等），通用有限元程序也能获得精确的船体结构的极限承载能力。
箱形钢梁双销轴连接承载性能分析
箱形钢梁双销轴连接承载性能分析季跃【摘要】It is an innovative connection type for using reassembled pins as beam connections in steel building structures.Based on current research,the paper studied the load-bearing capacity of the new split-joint and the limit state of pin connections.Based on the interaction of the dual-pin,a method for the ultimate bearing capacity calculation of double pins was proposed.A simplified formula was derived for calculating the ultimate capacity of split-joint.The calculation method and steps were described.The nonlinear finite element method was adopted in analyzing the mechanical property of the split-joint.The calculation method was verified by comparing the results from the simplified calculation and the finite element method.%在国内建筑钢结构领域，采用可拆卸的销轴节点对钢箱梁进行拼接是一种新的连接形式。
结合国产材料和技术标准，研究这种箱形钢梁新型拼接节点的承载性能，提出销轴连接的极限状态，分析节点中双销轴的相互作用，提出双销轴在相互影响下的极限承载力计算方法，得到适合于国内销轴连接的设计方法。
纵向箱型梁舱段极限强度试验研究
０ 引 言
船 体 纵 向极 限强度 是衡 量 船体 强 度 的一 个 重要 指标 。船体 的破 坏 是 一个 渐进 的过程 ，当横 剖 面上 最弱 的构件 由于屈 服 、屈 曲或 由于 两者 的某种 组合 而 不再 能有 效地 承担 载 荷 ，船体 弯 曲刚度 随之 减 小 ，
但其余构件仍可进一步承载 。随着构件的逐个破坏，船体剖面刚度逐渐损失 ，直到变形急剧增加而发
极限强度预报。 试验结果证实 了 极限强度理论计算方法的可靠性， 中国际船级社协会推荐的ＭＡ Ｓ００软 其 Ｒ ２０ 件的计算结果略偏保守。本试验可以为纵向箱型梁的结构设计提供参考依据。
关 键 词 ：船舶、舰船工程；极限强度；逐步崩溃法；非线性有限元 中 图 分 类 号 ： Ｕ６． ６１ ３ ４ 文 献标 识码 ：Ａ
典型箱型梁极限强度模型试验分析
典型箱型梁极限强度模型试验分析李政杰;赵南;祁恩荣;刘俊杰;胡嘉骏;李生鹏【摘要】In order to verify the accuracy of nonlinear finite element method for the ultimate strength of ship structures, a four-point bending model of typical box-girder using high strength steel was designed.Through the model test research on ultimate strength of typical box-girder, the ultimate bending capacity and stress distribution were obtained, and it is good agreement with the nonlinear numerical simulation result.It can provide an experimental support for the research of ultimate strength calculation method of hull structure.%为验证和完善船体结构极限强度非线性有限元法,采用高强度钢,设计典型箱型梁4点弯曲模型,开展极限强度模型试验,得到典型箱型梁模型的极限承载力和应力分布情况,与模型试验数值仿真的结果对比,结果吻合,可为船体结构极限强度计算方法研究提供试验支撑.【期刊名称】《船海工程》【年(卷),期】2018(047)003【总页数】4页(P32-35)【关键词】典型箱型梁;模型试验;极限强度;非线性有限元【作者】李政杰;赵南;祁恩荣;刘俊杰;胡嘉骏;李生鹏【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;江苏省绿色船舶技术重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;江苏省绿色船舶技术重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;江苏省绿色船舶技术重点实验室,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;江苏省绿色船舶技术重点实验室,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】U661.4现代船舶多采用双层底、多甲板、甲板大开口等结构型式，各层甲板的板厚、加强筋骨材尺寸和布置形式存在差异，并且采用高强度钢来提高结构承载能力以减轻船体重量。
焊接箱形梁腹板考虑屈曲后性能的极限承载力
焊接箱形梁腹板考虑屈曲后性能的极限承载力
在参考国内外钢结构设计规范的基础上，对箱形梁腹板在3种受力条件下的屈曲后性能进行深入的理论分析，提出相应的简化分析方法，供工程设计和规范修订参考。
我国现行《钢结构设计规范》(GBJ17-88)对焊接工字梁的加劲肋设置作了明确规定，而对箱形梁却未作具体说明；目前，全国规范修订组正在对现行规范进行修改，主要是想把工字梁在静载作用下的屈曲后强度加以利用，而对箱形梁却未作要求。
事实上，焊接箱形梁腹板同样存在较大的屈曲后强度可以利用，并且由于双腹板的存在，使得它与工字梁相比又有所区别。
箱形梁腹板的受力条件主要有三种：一是承受剪应力作用，二是承受正应力作用，三是弯剪共同作用。
三种受力条件下箱形梁腹板的屈曲后性能各不相同。
本文在参考国内外钢结构设计规范的基础上，提出了适用于各种条件下的简化分析方法，供工程设计和规范修订参考。
1 箱形梁腹板在剪应力作用下屈曲后强度
受剪板的屈曲后强度有张力场产生，张力场的分布有不同的假设，经过试验证明，欧洲钢结构设计规范(EC3-ENV-1993)采用的张力场模型及框架机制对箱形梁比较适合，如图1所示。
它认为，张力场作用在横向加劲肋及上下翼缘之间，
并且翼缘还可以参与抗剪，直至出现塑性铰。
图1 张力场模型及框架机制。
钢箱梁桥面板极限承载力试验
23
4.3薄壳模型弹塑性有限元分析
有轴向力无水平力作用下的壳模型弹塑性稳定分析 轴向力和水平力同时作用下的壳模型弹塑性稳定分析 考虑实测初始变形和实测残余应力的壳模型
计算模型 无面外力不考虑初始变形和残余应力 有面外力不考虑初始变形和残余应力
7
2.1 试验模型设计
8
2.2 试验模型边界条件处理
理论简化分析
Pcr Pcr ' 1 a / b2 2 1.03
杆系有限元简化分析
换算杆长系数μ 1.04
板壳有限元简化分析
箱梁外腹板对桥面板的约束
影响范围很小
小结：极限承载力试验模型可以截取桥面板在两横隔板之间的部 分加劲板，边界条件近似为两端简支。
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肋高＝240mm；板长＝4000mm
12
14
16
18
20
盖板厚（mm）
y=300mm
初始变形值mm
-0.30
y=360mm y=420mm
-0.50
y=480mm y=540mm
-0.70
y=600mm y=660mm
-0.90
初始变形值mm
0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8
0
-1.10 横截面位置m
桥面板试件一纵断面初始变形
y=660mm y=600mm y=540mm y=480mm y=420mm y=180mm y=300mm y=240mm y=180mm y=120mm y=60mm
主梁截面的一部分参与整体受力（整体轴向力） 独立的桥面系承受局部车轮荷载（局部面外力）
箱型梁舱段结构设计及舱内爆炸数值分析
箱型梁舱段结构设计及舱内爆炸数值分析现代海战中,船体在遭受各种反舰穿甲武器袭击后,由于舱内爆炸冲击波的作用,会产生破口及塑性大变形,导致船体丧失生命力继而沉没。
因此对船体抗爆能力和生命力的研究一直备受关注。
为提高船体生命力,德国F124型护卫舰在船体主甲板设置纵向箱型梁结构,可以明显高船体抗爆能力150kg装药爆炸的冲击。
根据规范设计了一艘护卫舰的平行中体舱段,并进行了爆炸数值仿真,旨在讨论舱内爆炸情况下纵向箱型梁对船体抗爆能力的贡献。
主要研究内容与结论如下:1.从爆炸的最基本理念入手,研究了爆炸冲击波的产生及传播,介绍了MSC.Dytran有限元分析软件并对空中爆炸冲击波的传播过程进行了数值计算,计算结果与经验公式吻合。
2.基于Dytran软件,计算分析了两种甲板局部板架纵向加强筋在迎爆状态下耦合程度对结构响应的影响,并与全耦合模型进行对比。
研究结果表明,适当的降低迎爆小型加强筋的耦合程度,可以提高计算效率,同时保证一定精度。
3.根据国军标4000-2000规范要求,对平行中体的一个舱段进行了总体及详细设计,通过校核可知设计结果满足规范对强度及稳定性的要求4.依据德国F124型护卫舰的纵向箱型梁结构,对常规护卫舰进行了主甲板纵向箱型梁设计,由MARS软件得出了增加的纵向箱型梁对结构剖面积、惯性矩、甲板剖面模数等指标的影响;建立常规和有箱型梁这两种舱段的有限元模型,进行了舱段在舱内爆炸作用下变形的数值模拟,评估了多种工况下纵向箱型梁对船舶抗爆能力的贡献。
研究结果表明设置纵向箱型梁可以有效的提升主甲板抗爆能力。
船舶与海洋工程结构极限强度分析
船舶与海洋工程结构极限强度分析船舶与海洋工程结构极限强度分析【摘要】本文研究了基于简单非线性有限元分析的极限强度计算方法，这种方法适用于船舶与海洋工程等箱型梁结构的极限强度计算。
加筋板是主要组成构件。
箱型梁可以分为若干加筋板单元和角单元，利用非线性有限元法逐一计算加筋板单元的应力-应变关系曲线，最终得到极限弯矩。
同时说明了为了合理评估船舶与海洋工程结构物的安全性，有必要做极限强度分析。
【关键词】极限强度；加筋板；应力应变曲线；非线性有限元1 概述极限强度指的是船体结构所能接受的抵抗整体崩溃的最大强度，然而船体结构会在特殊载况或恶劣环境下受到注意增加的外荷载作用，随着荷载的不断增加，船体的主要构件会遭到破坏，手拉部分会因屈服失效，受压部分会发生屈曲失效，这种情况下，船体仍可以继续承受荷载，随着荷载的继续增加，达到屈服和屈曲的构件越来越多，最终无法承受荷载而破坏，这是剖面所承受的荷载就叫做极限荷载，也叫做极限承载力，这就是极限强度，极限强度需要我们来估算，无法得到精确值。
极限状态分析是船舶结构设计的基本任务之一。
如何合理的评估初始挠度、几何非线性等对船体的极限承载能力的影响，考虑循环加载作用下的动态损伤过程，需要研制更加简洁、实用、准确的计算方法和计算程序。
穿在加载过程中会受到极大地弯矩威胁，如果加压载不当就会出现船体收到的弯矩急剧增加从而使船体受到破坏的影响，甚至会出现更加严重的后果。
2 船舶与海洋工程结构极限强度分析船舶与海洋工程结构极限强度的计算是最复杂、计算量最大的一部分，它包含多种三维结构构件，崩溃形式也包含塑性变形和构件屈曲的多种形式组合，所以说有限元分析计算是获得船体模块极限强度最精确的一种方法。
然而这种方法计算量非常庞大，费用高。
所以这种方法很少被应用在实际中，现如今运用最多的还是传统的逐步破坏法。
通过分析逐步破坏法可以得到，在整个船体模块中，存在一个相邻横向钢架之间的临界分段，由于它的破坏就会把船体结构的极限强度合理的简化为计算船体某一部分的极限强度，即可以简化运算又能保证计算结果的准确性。
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箱型梁加强甲板结构极限承载能力分析一、课题来源、目的、意义、国内外基本研究概况1、课题来源自拟课题2、课题研究的目的与意义随着现代船舶越来越大型化的发展，结构的稳定性问题十分突出。
高材料钢的普遍使用，使得结构的剖面尺寸相对减小，结构刚度相对降低，结构的稳定性问题显得更为突出，越来越受到广大研究人员以及相关人员的注意。
现实生活中大量的工程事故，引起了工程力学界人士对结构稳定性问题的关注。
一直以来，船体结构的总纵强度都是使用简单梁理论来进行计算的。
传统船体的甲板结构均是由焊接T型材或者是角钢、球扁钢等的板材即加筋板构成的，其主要承受拉应力、压应力，均存在超过相应的应力极限而出现受损甚至是失效状况，导致安全事故的发生。
而在承受压应力的时候，不仅需要考虑材料的强度极限，还要注意结构的稳定性问题。
甲板板在屈服直至达到破坏事实上是一个渐进的过程，当其部分达到塑性屈服时，未达到极限应力的部分仍然可以继续承受应力，直至也进入到塑性屈服阶段。
与此同时也要考虑受压甲板板可能会失稳，而失稳问题是突发的，更具危险性。
目前，试验研究是船体纵向极限强度研究的重要方法。
通过模型试验，可以比较直观地研究舱段结构在外载作用下，如何逐步从局部损坏到整体崩溃的过程。
这对深入认识船体结构的极限强度有重要意义。
在甲板上设置纵向箱型梁是一种新型防护结构形式，国外已应用于新型舰船。
设置纵向箱形梁能够增加甲板的抗爆能力，以提高船体损伤后的剩余极限强度。
由于其结构形式较为新颖，对它在总纵弯曲下的崩溃过程目前还研究得不够充分，因此有必要开展试验研究。
一直以来，船体结构的总纵强度是使用简单梁理论来计算的。
但内河船“玛丽”号折成两段的事实，对无条件使用简单梁理论的计算方法提出了质疑，引起了力学工作者的广泛关注。
根据经典的线弹性理论，船体断面上的垂向弯曲正应力为线性分布，当离开中和轴最远处(甲板或船底)的构件中的应力达到材料的屈服应力时，船体断面就破坏了，此时所对应的断面弯矩就是始屈弯矩。
“玛丽”号折断时遇到的波长与船长相等，在距船中之前7.3米处向下折成两段，并在折断前甲板曾产生了显著的皱褶。
威·约翰(w·J。
hn)1261曾对“玛丽”号进行了总纵弯曲应力的计算。
单纯从计算结果来看，虽然中垂状态是甲板上的应力比较高(为142N/mm2)，但是并不能说明船体很快折断的原因。
于是，威·约翰在分析时认为，船体破坏是由于所有受压的甲板板，除了与其他刚性构件相连的一部分完全有效外，其余部分不能承受大于板之极限载荷的压力。
因此，威·约翰利用一折减系数来修正受压板的剖面积。
修正后的计算结果，在中垂状态时，甲板舷边处的应力武汉理工大学硕士学位论文达到了250N/mm2，大大超过了第一次计算所得的应力。
实际上，这就是由于甲板受压失稳而导致的船体结构的破坏。
从此以后，设计者在设计船体结构时，既要保证必要的强度，又要保证必要的稳定性。
而力学工作者，也开始了对船体结构稳定性的深入研究。
随着结构应力分析理论和试验技术的发展，船体结构在极限载荷作用下的承载能力问题已经逐渐成为国际船舶结构力学领域的一个热点研究课题。
对箱形梁甲板结构进行极限承载能力分析，可以为以后的船舶甲板结构设计提供理论依据，也对减少船舶安全事故具有重要的意义。
3、国内外研究现状及分析（1）国外的研究现状迄今,关于箱型船体梁极限强度的试验研究开展得不多,Nishihara[1]曾采用方型箱体模拟四种不同类型船体舯横剖面结构,进行了系列总纵极限承载能力试验,不同的船体结构体现了船体承载过程中及后极限强度剖面应力分布规律,Dowling[2]及Mansour[3]等人也都进行了相类似的试验。
在处理箱型梁极限强度数值计算中，应用基于塑性节点法[4]开发的结构非线性数值计算程序SANDY可追踪箱型梁船体模型的极限承载全部过程[5]。
塑性节点法是塑性势理论范畴的延伸,采用的是节点力与位移关系而非应力—应变关系表征屈服准则。
将此理论引入数值方法遵循以下两点假定:单元进入塑性的判据是通过检查单元中指定检验点的合成应力是否满足以节点力为函数的塑性条件;塑性条件以塑性势表示,塑性变形集中在塑性点上,而在单元内部保持弹性。
(2)国内的研究现状徐向东[6]等人对箱型梁船体模型作了总纵极限承载能力试验研究，应用基于塑性节点法开发的程序和通用非线性有限元模拟方法对该模型进行了数值计算,获得了与试验较为一致的结果。
在试验与理论分析的基础上,提出了估算箱型梁船体结构极限强度的解析计算方法,通过算例考核认为本方法可用于工程结构设计。
其程序中开发了一系列的有限单元,包括非线性弹簧元、梁—柱元、加筋板元、剪切板元以及硬角单元等,提供了对复杂结构系统作静动态热弹—塑性大位移分析的计算手段。
他们应用通用有限元程序ANSYS,采用四节点弹塑性板壳单元对结构进行离散建模，在计算中考虑了结构的屈曲/塑性破坏、应变硬化、初始挠度和残余应力、腐蚀引起的板厚变化、断裂准则等,并可通过任意的载荷与位移控制进行求解[7]。
本方法消除了应变和各种结构现象所需要的假定,如简化方法中通常的假定为在线性和非线性二者特性范围内其横剖面仍保持为平面,所有这些假定均需要验证而且总是限制了简单分析方法的适用范围。
该程序不仅与通用有限元程序(如ANSYS)同样具有普遍的适用性,相比之下,它可以用很少的单元来模拟一个复杂的结构系统,这样大大减少了人力与机时,而且能够保证计算精度。
杨平[8]对内河重载船舶进行了极限强度的模型试验，并用以验证他提出的极限强度计算方法。
徐向东等[9]进行了箱形梁的极限承载能力的试验，并在试验的基础上提出了估算船体箱形梁极限强度的解析计算方法。
何杰等[10]对潜艇平面舱壁进行了极限强度分析，并与试验结果进行了对比分析。
还有一些学者也进行了类似的试验研究[11-12]。
王佳颖等[13]对纵向箱型梁式的舱段模型进行极限强度试验，观察并记录其崩溃过程，应用逐步崩溃法（Mars2000）和非线性有限元数值方法（ABAQUS）进行模型极限强度预报。
试验结果证实了极限强度理论计算方法的可靠性。
其中国际船级社协会推荐的MARS2000 软件采用逐步崩溃法预报的极限强度值略偏保守，而采用非线性有限元阻尼因子法进行结构极限强度预报与模型试验结果相比误差较小，两者均能满足工程设计要求。
本文通过实验研究证实了用逐步崩溃法和非线性有限元法计算极限强度的精度是合理和可靠的。
二、主要研究内容1.学习使用有限元软件ANSYS及其参数化设计语言APDL2.利用ANSYS参数化设计语言APDL建立箱型梁加强甲板结构有限元模型3.利用ANSYS对箱型梁加强甲板结构进行极限承载能力分析4.等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力分析5.箱型梁加强甲板与等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力对比分析三、研究目标、关键技术、研究方案与技术途径1、研究目标通过对箱形梁甲板结构和对等质量传统加筋板甲板结构分别进行有限元建模计算，对比分析两种形式的甲板结构的极限承载能力。
2、关键技术主要使用有限元ANSYS及其参数化设计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构有限元模型，在简单梁理论以及线弹性的基础上进行理论分析，并同样运用有限元对同等质量传统加筋板甲板结构建模计算，进行对比。
3、研究方案与技术途径通过对相关文献的研究与整理，使用有限元ANSYS及其参数化设计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构以及同等质量传统加筋板甲板结构有限元模型，加载不同的各种载荷而得之相应的变形，通过比较二者的破坏时的极限载荷得出相应的结论。
四、课题研究的进展计划第1-2周查阅国内外相关文献，完成开题报告第3-6周学习使用有限元软件ANSYS及其参数化设计语言APDL，建立箱型梁加强甲板结构有限元模型第7-12周利用ANSYS对箱型梁加强甲板结构进行极限承载能力分析, 等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力分析第11-14周箱型梁加强甲板与等质量传统加筋板甲板结构极限承载能力对比分析第13-16周分析计算结果，撰写论文，答辩参考文献[1] Nishihara S.Ultimate longitudinal strength of midship crosssection[J].Naval Architecture and Ocean Engineering,1984,22:200-214.[2] Dowling P J,Moolani F M,Frieze P A.The effect of shear lag on the ultimatestrength of box girders[C].In International Congress on Steel PlatedStructures, Imperial College, London, 1976. 108-147 .[3] Mansour A E,Yang J M,Thayamballi A. An experimental investigation ofship hull ultimate strength[J]. Trans SNAME,1990,98:411-439.[4] Ueda Y,Tao T.The plastic node methods:Anewmethod of plasticanalysis,Comput. Meths.Appl. Mech. Engng, 1982, 34: 1089-1104.[5] 白勇,徐向东,崔维成.用塑性节点法作船体极限强度分析.船舶力学,Aug. 1998, 2(4):54-62.[6] 徐向东,崔维成,冷建兴,孙兆康,祁恩荣.箱型梁极限承载能力试验与理论研究.船舶力学,Oct, 2000, 4(5)：36-43.[7]白勇,徐向东,崔维成.船体结构极限强度的影响参数与敏感度探讨.船舶力学, Oct, 1998, 2(5):35-43.[8]杨平, 王海涛, 石城林 . 内河重载甲板驳船船体极限强度的试验与理论分析[J]. 武汉理工大学学报,2004,28(6):799-802.[9]徐向东, 崔维成, 冷建兴等. 箱形梁极限承载能力试验与理论研究[J].船舶力学, 2000, 4(5):36-43.[10] 何杰, 吴梵, 朱晓军, 黄晓明. 平台支撑的潜艇平面舱壁的极限强度分析[J]. 中国造船, 2006,47(3).[11] 黄震球, 陈奇树, 骆子夜. 船体梁的极限纵强度[J]. 华中理工大学学报,1996, 24(7):1-5.[12] 方闯, 张文涛, 黄震球, 陈齐树. 内河船舶极限总强度的试验研究[J].船舶工程, 2001(1):29-32.[13] 王佳颖，张世联. 纵向箱型梁舱段极限强度试验研究. 中国造船. June2011，52（2）（Serial No. 195）：47-54.。