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原文传递船体结构的静力极限强度和砰击动力响应

论文题名：	船体结构的静力极限强度和砰击动力响应
关键词：	船体结构;静力极限强度;砰击动力响应;冲击载荷
摘要：	自从2006年船舶结构共同规范发布之后，极限强度计算成为船舶结构设计的强制性要求，标志着船舶结构的安全性评价已经从许用应力阶段进入极限强度阶段。极限强度分析的目的是要合理地预报船体结构的极限强度和失效模式，目前共同规范提到的极限强度实际上是静力极限强度。　　随着技术的进步和经济的发展，船舶的主尺度越来越大，航速越来越高，船体梁的柔度大大增加，波浪载荷和砰击载荷对船体梁安全性的影响越来越大。研究表明，在高海况下，船体梁受到的瞬态高频砰击颤振弯矩幅值可达到与低频波浪弯矩同一量级，有时甚至能达到数倍波浪弯矩幅值。因此，合理评估船体结构在砰击载荷作用下的承载能力是一个不能回避的问题。船体结构在极短时间内受到高幅值砰击载荷时的动力承载能力与其静力极限强度有着显著的不同，可通过其砰击动力响应来间接进行评估，需要综合考虑冲击载荷的形状参数、材料的动力本构关系、结构的惯性效应等多种因素。本文的目的就是通过对船体结构的静力极限强度和不同冲击载荷下的砰击动力响应以及各自对应的失效模式进行研究，为船体结构安全性评估提供有价值的结论和参考性方法。　　船体结构的砰击动力响应是其砰击动力承载能力的反映，冲击载荷形状参数是对船体结构砰击动力响应具有重要影响的因素。本文提出并特别关注冲击载荷上升时间与冲击时间比值这一冲击载荷形状参数，深入研究冲击时间、载荷峰值、载荷上升时间与冲击时间的比值这三种载荷形状参数对船体结构的砰击动力响应的影响；冲击载荷上升时间与冲击时间比值能够反映峰值载荷在冲击时间内出现的早晚程度，对特定载荷工况有重大影响。　　由于结构复杂，采用解析法和经验公式获得船体结构的静力和动力承载能力有诸多困难，因此目前主要通过数值模拟和实验方法进行研究。本文基于静力隐式非线性有限元法，计及材料非线性和几何非线性因素的影响，对船体结构的静力极限强度和失效模式进行研究；基于动力显式非线性有限元法，考虑材料的应变率效应和应变强化效应，采用了通用接触模型来避免受压构件之间潜在的穿透和干涉，分析了船体结构的砰击动力响应。本文对船体结构在压、剪、弯、扭四种载荷工况下的静力极限强度和砰击动力响应进行了研究，所做的工作主要包括：　　（1）纵向受压甲板板架的静力极限强度和砰击动力响应　　对由纵桁、强横梁、加筋板构成的甲板板架的纵向受压静力极限强度和失效模式进行研究，分析纵桁数量、板架几何缺陷对甲板板架纵向受压静力极限强度的影响，将加筋板的纵向受压极限强度公式的适用范围扩展到纵桁腹板柔度与加筋间板柔度接近的有纵桁甲板板架。　　给出了冲击载荷形状参数和几何缺陷对甲板板架纵向受压冲击动力响应的影响。发现与冲量无关的冲击载荷上升时间与总的冲击时间的比值对板架的动力响应有很大的影响，该参数越小，动力响应越大。此外，对纵桁腹板开孔、甲板板架纵向受压预应力对甲板板架的纵向受压静力极限强度及砰击动力响应的影响也进行了探讨。　　（2）面内剪切舷侧横向密加筋板的静力极限强度和砰击动力响应　　通过对横向密加筋板的纯剪切弹性屈曲强度和极限强度进行研究，给出横向密加筋板的最小加筋弯曲刚度。分析了横向密加筋板在侧压力作用下的静力剪切极限强度和失效模式，发现横向密加筋板剪切极限强度会随着侧压力的增大而降低。　　研究了不同冲击载荷形状参数对有、无侧压横向密加筋板的面内剪切冲击动力响应的影响，发现冲击载荷上升时间与总的冲击时间的比值对面内剪切冲击失效没有显著影响。此外，还给出结构腐蚀对横向密加筋板的面内剪切静力极限强度和冲击动力响应的影响。　　（3）垂向弯曲船体梁的静力极限强度和砰击动力响应　　给出了完整和破损两种状态下的船体梁的静力中垂和中拱极限强度以及相应的失效模式。　　分析了船体梁在纯弯曲砰击、弯曲砰击和纵向受压砰击共同作用、有弯曲预应力状态下弯曲砰击的动力响应；发现冲击载荷上升时间与总的冲击时间比值越小，则船体梁弯曲动力响应越大；给出了有弯曲预应力、纵向压缩和垂向弯曲砰击共同作用，且船体梁在较小的载荷冲击上升时间与总的冲击时间比值条件下的砰击动力承载能力远小于其静力极限强度的结果。　　（4）受扭大开口船体梁的静力极限强度和砰击动力响应　　比较了大开口船体梁的扭转静力极限强度和中垂、中拱、水平三种弯曲静力极限强度以及各自的失效模式。分析了大开口船体梁扭转和垂向弯曲共同作用的静力极限强度，通过曲线拟合给出了扭转和垂向弯曲静力极限强度的相关曲线。　　分析了冲击载荷形状参数对大开口船体梁的纯扭转砰击动力响应及扭转和中垂弯曲砰击共同作用下的动力响应的影响，发现上升时间与总的冲击时间的比值对大开口船体梁在扭转和中垂弯曲砰击共同作用下的动力响应的影响不确定，需要具体问题具体分析。
作者：	姬振华
专业：	工程力学
导师：	王德禹
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文