船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法
【專利摘要】一種船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法,步驟包括：繪制船體橫剖面的結構圖；建立計算船體橫剖面的離散化計算模型，將離散的節點、板、加強筋、板格單元和硬角單元編號，為各單元及節點賦坐標值；定義結構材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比；定義板材的厚度、初始變形、殘余應力及側向壓力和極限拉伸應力；定義加強筋坐標系與局部坐標系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚度和結構比例極限系數；定義組成板格單元和硬角單元的單元編號，初始變形，側向壓力和結構比例極限系數；基于Smith方法導出的船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，對船體橫剖面離散計算模型進行極限承載能力分析。
【專利說明】
船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法
技術領域
[0001] 本發明涉及船舶技術領域，特別涉及一種用于船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分 析方法。
【背景技術】
[0002] 現代船舶的復雜性以及對船體平臺的可靠性、效率和總體性能的更高要求，需要 有一個科學的、強有力的和通用的船體結構設計方法。船體總縱強度設計校核作為船體結 構設計中最核心的工作，其設計方法的有效性與先進性對設計艦艇的性能表現影響至為關 鍵。
[0003] 目前，船舶船體總縱極限強度的計算主要采用始屈彎矩法或一步法等簡化方法。 這些簡化方法通過特別定義"設計載荷"和一些典型的或象征性的極限狀態，以及最大許用 應力之類的一般性要求，沒有計算出真正的具體載荷響應和極限值，不能準確地知道船體 真正的安全裕度。
[0004] 需要建立一種直接的和完全的基于結構理論以及采用以計算機為基礎的船舶船 體總縱極限強度分析方法，并在設計時將規定的安全裕度加在船體的總縱極限狀態上。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于提供一種船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，能夠提高 船體結構總縱極限抗彎能力計算的準確度，滿足船舶設計校核的要求，具備易操作性、可靠 性、通用性。
[0006] 為解決上述問題，本發明提供的一種船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法， 包含以下步驟： 步驟一:繪制船體橫剖面的結構圖； 步驟二:建立計算船體橫剖面的離散化計算模型，將離散的節點、板、加強筋、板格單元 和硬角單元編號，為各單元及節點賦坐標值； 步驟三:定義結構材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比； 步驟四：定義板材的厚度、初始變形、殘余應力及側向壓力和極限拉伸應力； 步驟五:定義加強筋坐標系與局部坐標系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板1和2的寬度 和厚度和結構比例極限系數； 步驟六:定義組成板格單元和硬角單元的單元編號，初始變形，側向壓力和結構比例極 限系數； 步驟七:基于船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，對船體橫剖面離散計算模型 進行極限承載能力分析； 總縱極限強度計算流程為： ① 確定所有單元的平均應力--應變關系； ② 初始化船體梁整體曲率； ③計算當前曲率每個單元的應變，并由單元應力一一應變關系確定當前應力； 在考慮板格單元梁柱型彎曲屈曲時，長板受壓時計及殘余應力影響的平均應力-平均 應r ? 極限狀態下的初始撓度影響系數為:爲、。:! _靡知 式中
％無量綱形式的初始撓度的幅值。
[0007]當側向壓力的值超過％/#時，板邊應看作剛固，計及殘余應力后的平均應力-平均命亦羊茗失1.

④ 建立整體截面的力平衡方程，確定當前中和軸的位置，計算時需要作一些迭代； ⑤ 疊加所有單元對瞬時中和軸的彎矩得到當前應變下船舯截面的總彎矩； 瞬時中和軸的位置可通過令斷面所有單元上的應力總和為零的條件得到，即

式中 ％第1單元的平均應力，由單元特性曲線得到，4為第i單元的幾何面 積。
[0008]⑥將當前曲率計算的總體彎矩與前一次的彎矩值比較，判斷是否達到極限彎矩 值;如果彎矩一一曲率關系曲線的斜率為零或為負值，則結束計算，得到極限彎矩;否則，返 回第③步，按初始曲率10 %逐步增加，重新計算。
[0009] 進一步的，在上述方法中，所述船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法是基于 Smi th方法導出的簡化計算方法。
[0010] 與現有技術相比，本發明能夠提高船舶總縱極限強度計算的精確度，提高極限強 度計算方法對不同船體材料的適用性，使設計者在計算后得到船體真正的安全裕度。
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發明一實施例的總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法的流程圖。
[0012] 圖2是本發明一實施例步驟Sl中繪制的散貨船半橫剖面圖。
[0013] 圖3、圖4是本發明一實施例步驟S2的船底剖面單元劃分圖。
[0014] 圖5是本發明一實施例步驟S2的底邊艙單元劃分圖。
[0015] 圖6是本發明一實施例步驟S2的頂邊艙單元劃分圖。
[0016] 圖7是本發明一實施例步驟S7計算得到的散貨船剖面特性數據。
[0017] 圖8是本發明一實施例步驟S7計算得到的散貨船的總縱彎矩-曲率曲線及極限彎 矩值。
[0018] 圖3~圖6中數字1~113為節點號，[1]~[120]為板單元號，（1)~(94)為加筋板單 元號，①~Θ為硬角單元號。
[0019]
【具體實施方式】
[0020] 為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。
[0021] 如圖1所示，本發明提供一種總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，包括步驟Sl~ 步驟S7。
[0022] 步驟Sl，根據船舶的結構設計，繪制出用于總縱極限強度校核的船體橫剖面結構 圖，明確橫剖面處參與船體總縱彎曲的結構件的尺寸大小； 優選的，所述船體橫剖面宜采用船中1/2船廠范圍內的。
[0023] 步驟S2,建立計算船體橫剖面的離散化計算模型，將離散的節點、板、加強筋、板格 單元和硬角單元編號，為各單元及節點賦坐標值； 優選的，船體斷面縱向連續板的交匯點、加強筋與板的連接點取為斷面節點，并依次編 號。計算中所需要的節點數據為節點在總坐標系中的坐標值。
[0024] 步驟S3,定義結構材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比。
[0025] 優選的，定義各種材料的編號，編號為整數，從1開始，依次加1。屈服極限和楊氏模 量的單位是牛每平方毫米(兆帕）。
[0026]步驟S4,定義板材的厚度、初始變形、殘余應力及側向壓力和極限拉伸應力； 優選的，計算所需板的數據為板兩端節點的節點號、厚度、初始變形、殘余應力、側向壓 力、材料種類號和材料的拉伸極限強度。
[0027]步驟S5,定義加強筋坐標系與局部坐標系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度 和厚度和結構比例極限系數； 優選的，加強筋坐標系和局部坐標系的夾角單位是度，逆時針為正;腹板高度與厚度， 翼板的寬度和厚度等的單位是毫米。
[0028] 步驟S6，定義組成板格單元和硬角單元的單元編號，初始變形，側向壓力和結構比 例極限系數； 步驟S7，基于Smi th方法導出的船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，對船體橫剖 面離散計算模型進行極限承載能力分析。
[0029] 下面采用一實施例對本發明的上述步驟進一步作詳細的介紹。
[0030] 實施例一 某大型散貨船的總縱極限強度計算。
[0031] 步驟Sl，繪制橫剖面圖，明確模型參數，圖見說明書附圖2。
[0032]步驟S2,將模型橫剖面進行劃分 板和板的連接點，筋和板的連接點作為一個節點，板和板的連接處作為硬角單元，有加 強筋的位置作為一個板格單元。半橫剖面單元劃分結果見附圖3~6,該模型有113個節點， 120個板單元，94個加筋板，19個硬角單元。將船體舭板部分簡化成硬角單元，同時將甲板和 舷側連接部分的弧形結構簡化為加筋板單元。
[0033]步驟S3,定義結構材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比。
[0034] 本例中只有一種船用鋼材，屈服極限235MPa，楊氏模量206000MPa，泊松比0.3。 [0035]步驟S4,定義板材的厚度、初始變形、殘余應力及側向壓力和極限拉伸應力； 步驟S5,定義加強筋坐標系與局部坐標系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚 胃車口力士士vh Uk /τ?ι丨士UIT曰名Π
步驟S6,定義組成板格單元和硬角單元的單元編號，初始變形，側向壓力和結構比例極 限系數； 步驟S7，基于Smi th方法導出的船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，對船體橫剖 面離散計算模型進行極限承載能力計算。
[0036]得到散貨船計算剖面得剖面特性，見附圖7。
[0037]計算得到極限彎矩值和彎矩-曲率曲線，見附圖8。
[0038]本發明基于Smith逐步破壞法既能達到足夠的計算精度又大大簡化了計算量。該 方法適用面廣，既可以計算簡單箱型梁的極限強度，也可以計算大型散貨船，油船和集裝箱 船等的極限強度。方法輸入相對簡單，輸出方式多樣化。簡單易操作，具有工程可行性，對船 舶的極限強度直接計算提供了平臺，有利于海軍所提出的精細設計的原則，有利于提升船 舶的總體性能。
[0039] 專業人員還可以進一步意識到，結合本文中所公開的實施例描述的各示例的單元 及算法步驟，能夠以計算機軟件來實現。專業技術人員可以對每個特定的應用來使用不同 方法來實現所描述的功能，但是這種實現不應認為超出本發明的范圍。
[0040] 顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神 和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之 內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。
【主權項】
1. 一種船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:繪制船體橫剖面的結構圖； 步驟二:建立計算船體橫剖面的離散化計算模型，將離散的節點、板、加強筋、板格單元 和硬角單元編號，為各單元及節點賦坐標值； 步驟三:定義結構材料，包括屈服極限，楊氏模量和泊松比； 步驟四：定義板材的厚度、初始變形、殘余應力及側向壓力和極限拉伸應力； 步驟五:定義加強筋坐標系與局部坐標系的夾角，腹板的高度和厚度，翼板的寬度和厚 度和結構比例極限系數； 步驟六:定義組成板格單元和硬角單元的單元編號，初始變形，側向壓力和結構比例極 限系數； 步驟七:基于Smith方法導出的船體總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，對船體橫剖 面離散計算模型進行極限承載能力分析。2. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述船 體橫剖面的離散化采用計算時將船體斷面劃分成由板格單元和硬角單元組成的離散化模 型，并假定單元之間相互獨立，單元特性用載荷-端部縮短曲線表示。3. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述 Smith方法采用將總縱極限彎矩下船體梁的破壞行為簡化為逐漸增加梁體縱向彎曲曲率， 把加筋板單元性能結合到梁的整體分析中，運用疊加方法得到完整的船體梁的彎矩--曲 率關系曲線，當曲線的斜率為零時，所對應的彎矩即為極限彎矩。4. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟七中對于板格彎曲屈曲的破壞摸式，考慮初始變形、側向壓力的影響;對于加強筋扭轉屈 曲的破壞模式，考慮側向壓力的影響。5. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟一船體橫剖面采用船中1/2船廠范圍內的。6. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟二船體斷面縱向連續板的交匯點、加強筋與板的連接點取為斷面節點，并依次編號，計算 中所需要的節點數據為節點在總坐標系中的坐標值。7. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟三定義各種材料的編號，編號為整數，從1開始，依次加1，屈服極限和楊氏模量的單位是 牛每平方毫米。8. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟四計算所需板的數據為板兩端節點的節點號、厚度、初始變形、殘余應力、側向壓力、材料 種類號和材料的拉伸極限強度。9. 如權利要求1所述的船舶總縱極限強度簡化逐步破壞分析方法，其特征在于，所述步 驟五加強筋坐標系和局部坐標系的夾角單位是度，逆時針為正;腹板高度與厚度，翼板的寬 度和厚度等的單位是毫米。
【文檔編號】G06F17/50GK105844033SQ201610188827
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】彭正梁, 韓正君, 周艷秋
【申請人】中國艦船研究設計中心