文獻(xiàn)綜述-極限強(qiáng)度1

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1、文獻(xiàn)綜述——船舶與海洋結(jié)構(gòu)物極限強(qiáng)度139010022陳星宇1概述極限強(qiáng)度就是船體結(jié)構(gòu)抵抗整體崩潰的最大能力，當(dāng)船受外加載荷作用達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)受到的彎矩為船所能承受的極限彎矩，船的總縱極限強(qiáng)度就是以此極限彎矩為衡量。船的整體崩潰本質(zhì)上是總體剛度和承載能力的喪失。極限狀態(tài)的分析是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本任務(wù)之一。隨著結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用都日趨經(jīng)濟(jì)合理，船體結(jié)構(gòu)在承受極限環(huán)境載荷作用下的最終強(qiáng)度問題就日益突出起來，研究船體結(jié)構(gòu)在極端載荷作用下的整體力學(xué)行為和極限強(qiáng)度就成為國際船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域近期的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。近來，計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展頗令

2、人關(guān)注，現(xiàn)己可以模擬船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體的屈曲及塑性崩潰過程的非線性分析。船體板厚也因計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和高強(qiáng)度鋼的運(yùn)用而變薄，優(yōu)化設(shè)計(jì)甚至可以裁減一些不必要的船體構(gòu)件。船既要優(yōu)化結(jié)構(gòu)又要保證總體安全度，還能提高經(jīng)濟(jì)效益，這就使得準(zhǔn)確的計(jì)算船體的總縱強(qiáng)度顯得更加重要。近40年來，基于對船體梁在總縱彎矩作用下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理的理論與試驗(yàn)研究，已經(jīng)建立了相對合理的和比較規(guī)范化的船體結(jié)構(gòu)極限承載能力計(jì)算方法，取得了顯著的研究迸展。但在如何合理地評估初始撓度、材料和幾何非線性以及結(jié)構(gòu)單元后屈曲等因素對船體梁極限承載能力地影響；以及考慮循環(huán)加載作用下的動(dòng)態(tài)損傷過程，仍需要開展

3、進(jìn)一步深入細(xì)致的研究工作。另外，國內(nèi)主要是偏于逐步破壞方法的研究，自己的有限元計(jì)算軟件很少，故研制更加簡潔、實(shí)用、可靠、準(zhǔn)確的計(jì)算方法和計(jì)算程序：開展實(shí)船與模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證計(jì)算方法和分析程序也是迫在眉睫。船體結(jié)構(gòu)在特殊載況或惡劣環(huán)境下會(huì)受到一逐漸增加的外載荷作用，隨著外載荷增加，船體結(jié)構(gòu)部分主要構(gòu)件會(huì)遭到破壞，受拉部分會(huì)因?yàn)榍?，受壓部分?huì)發(fā)生屈曲失效，但這并不意味著整個(gè)剖面的失效，這時(shí)船體剖面仍可以繼續(xù)承載，剖面上的其他構(gòu)件還可以進(jìn)一步承載，包括失效構(gòu)件轉(zhuǎn)嫁過來的載荷。隨著載荷繼續(xù)增加，屈曲和屈服構(gòu)件會(huì)逐漸增加，一直到最后的平衡狀態(tài)，這時(shí)剖面達(dá)到了它

4、的極限承載能力，同時(shí)外加載荷達(dá)到了極限值，這即是整體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，也是我們需要估算的。但傳統(tǒng)的以結(jié)構(gòu)彈性失效準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)的船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度校核方法，由于沒有考慮局部構(gòu)件的失效(屈曲、屈服等)以及材料和幾何菲線性的影響，無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船體結(jié)構(gòu)的極限承載能力。船在加載壓載過程中可能會(huì)受到極大彎矩的威脅，如果加壓載不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)船體受到的彎矩急劇增加，使船的局部產(chǎn)生不必要的破壞，甚至在加壓載或卸載過程中出現(xiàn)船身斷裂等的嚴(yán)重后果，像1980年在鹿特丹港正在卸載原油的一艘21．6萬噸的VLCC(EnergyConcentration號(hào))就是由于卸載不當(dāng)導(dǎo)致船發(fā)生中拱斷

5、裂。船體在正常情況下會(huì)承受比設(shè)計(jì)載荷要少的載荷，在正常載況和海況下也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，像屈曲和屈服等，但也可能會(huì)有局部屈曲。然而，在實(shí)際中船體受到載荷很難確定，特別是在惡劣海況下，在船受到不可避免的大風(fēng)浪作用時(shí)，即使其符合設(shè)計(jì)的裝載對船體來說也可能會(huì)成為極限載荷，因?yàn)樵陲L(fēng)暴作用下船受到的彎矩會(huì)增加從而使其達(dá)到極限彎矩。老齡船舶因存在腐蝕和疲勞等而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞也會(huì)使船的承載能力降低。如果能準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)船的極限強(qiáng)度，就可以預(yù)知哪種工況對船來說是最惡劣的，從而對其進(jìn)行相應(yīng)海況下的研究。另外，我們可以通過估算極限強(qiáng)度而預(yù)知船上哪部分的構(gòu)件最易發(fā)生危險(xiǎn)，從而可以加自動(dòng)

6、報(bào)警系統(tǒng)或加強(qiáng)局部構(gòu)件以方便我們能及時(shí)控制破壞程度，減小潛在危機(jī)。另外，要得知船極限縱強(qiáng)度，進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)是最準(zhǔn)確的。但船體是非常大的，且船一般都是按需建造，所以要想像汽車和飛機(jī)那樣，對已知的船體進(jìn)行實(shí)船的強(qiáng)度測試是非常困難的。歷史上只對三艘驅(qū)逐艦在報(bào)廢前進(jìn)行實(shí)船的破損試驗(yàn)，這可能是因?yàn)橐庾R(shí)到戰(zhàn)船的船體強(qiáng)度的調(diào)查分析對國防是至關(guān)重要的。所以如何準(zhǔn)確、可靠的預(yù)報(bào)船極限強(qiáng)度成了唯一選擇。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國外的理論研究船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度歷來受到船舶工程界的廣泛關(guān)注。早在1874年第15界造船師協(xié)會(huì)年會(huì)上，John[1]提出了船體結(jié)構(gòu)總縱強(qiáng)度校核的方法體系(采用坦谷波

7、理論計(jì)算船體中剖面的最大彎矩、基于梁理論計(jì)算船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、以初始屈服彎矩作為船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度衡準(zhǔn))，其基本內(nèi)容一直沿用至今。隨著結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)展了多種計(jì)算船體總縱強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，其中較具代表性的是直接計(jì)算方法、逐步破壞分析方法和數(shù)值計(jì)算方法。下面對國內(nèi)和國外研究進(jìn)展?fàn)顩r分別介紹，先介紹國外概況。2.1.1直接計(jì)算法Caldwell[2]早在1965年從船體截面的幾何尺寸和材料的性質(zhì)出發(fā)，認(rèn)為船體截面失效是由材料屈服或結(jié)構(gòu)屈曲引起的，通過對受壓構(gòu)件承載能力的折減以說明屈曲的影響，將船體極限狀態(tài)假定為船體中剖面受壓一側(cè)全部屈曲、受拉一側(cè)全部屈服，給

8、出了船體梁結(jié)構(gòu)總縱極限彎矩計(jì)算方法，即直接計(jì)算法。到