船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法
【专利摘要】一种船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法,步骤包括：绘制船体横剖面的结构图；建立计算船体横剖面的离散化计算模型，将离散的节点、板、加强筋、板格单元和硬角单元编号，为各单元及节点赋坐标值；定义结构材料，包括屈服极限，杨氏模量和泊松比；定义板材的厚度、初始变形、残余应力及侧向压力和极限拉伸应力；定义加强筋坐标系与局部坐标系的夹角，腹板的高度和厚度，翼板的宽度和厚度和结构比例极限系数；定义组成板格单元和硬角单元的单元编号，初始变形，侧向压力和结构比例极限系数；基于Smith方法导出的船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，对船体横剖面离散计算模型进行极限承载能力分析。
【专利说明】
船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及船舶技术领域，特别涉及一种用于船舶总纵极限强度简化逐步破坏分 析方法。
【背景技术】
[0002] 现代船舶的复杂性以及对船体平台的可靠性、效率和总体性能的更高要求，需要 有一个科学的、强有力的和通用的船体结构设计方法。船体总纵强度设计校核作为船体结 构设计中最核心的工作，其设计方法的有效性与先进性对设计舰艇的性能表现影响至为关 键。
[0003] 目前，船舶船体总纵极限强度的计算主要采用始屈弯矩法或一步法等简化方法。 这些简化方法通过特别定义"设计载荷"和一些典型的或象征性的极限状态，以及最大许用 应力之类的一般性要求，没有计算出真正的具体载荷响应和极限值，不能准确地知道船体 真正的安全裕度。
[0004] 需要建立一种直接的和完全的基于结构理论以及采用以计算机为基础的船舶船 体总纵极限强度分析方法，并在设计时将规定的安全裕度加在船体的总纵极限状态上。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，能够提高 船体结构总纵极限抗弯能力计算的准确度，满足船舶设计校核的要求，具备易操作性、可靠 性、通用性。
[0006] 为解决上述问题，本发明提供的一种船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法， 包含以下步骤： 步骤一:绘制船体横剖面的结构图； 步骤二:建立计算船体横剖面的离散化计算模型，将离散的节点、板、加强筋、板格单元 和硬角单元编号，为各单元及节点赋坐标值； 步骤三:定义结构材料，包括屈服极限，杨氏模量和泊松比； 步骤四：定义板材的厚度、初始变形、残余应力及侧向压力和极限拉伸应力； 步骤五:定义加强筋坐标系与局部坐标系的夹角，腹板的高度和厚度，翼板1和2的宽度 和厚度和结构比例极限系数； 步骤六:定义组成板格单元和硬角单元的单元编号，初始变形，侧向压力和结构比例极 限系数； 步骤七:基于船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，对船体横剖面离散计算模型 进行极限承载能力分析； 总纵极限强度计算流程为： ① 确定所有单元的平均应力--应变关系； ② 初始化船体梁整体曲率； ③计算当前曲率每个单元的应变，并由单元应力一一应变关系确定当前应力； 在考虑板格单元梁柱型弯曲屈曲时，长板受压时计及残余应力影响的平均应力-平均 应r ? 极限状态下的初始挠度影响系数为:爲、。:! _靡知 式中
％无量纲形式的初始挠度的幅值。
[0007]当侧向压力的值超过％/#时，板边应看作刚固，计及残余应力后的平均应力-平均命亦羊茗失1.
④ 建立整体截面的力平衡方程，确定当前中和轴的位置，计算时需要作一些迭代； ⑤ 叠加所有单元对瞬时中和轴的弯矩得到当前应变下船舯截面的总弯矩； 瞬时中和轴的位置可通过令断面所有单元上的应力总和为零的条件得到，即
式中 ％第1单元的平均应力，由单元特性曲线得到，4为第i单元的几何面 积。
[0008]⑥将当前曲率计算的总体弯矩与前一次的弯矩值比较，判断是否达到极限弯矩 值;如果弯矩一一曲率关系曲线的斜率为零或为负值，则结束计算，得到极限弯矩;否则，返 回第③步，按初始曲率10 %逐步增加，重新计算。
[0009] 进一步的，在上述方法中，所述船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法是基于 Smi th方法导出的简化计算方法。
[0010] 与现有技术相比，本发明能够提高船舶总纵极限强度计算的精确度，提高极限强 度计算方法对不同船体材料的适用性，使设计者在计算后得到船体真正的安全裕度。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明一实施例的总纵极限强度简化逐步破坏分析方法的流程图。
[0012] 图2是本发明一实施例步骤Sl中绘制的散货船半横剖面图。
[0013] 图3、图4是本发明一实施例步骤S2的船底剖面单元划分图。
[0014] 图5是本发明一实施例步骤S2的底边舱单元划分图。
[0015] 图6是本发明一实施例步骤S2的顶边舱单元划分图。
[0016] 图7是本发明一实施例步骤S7计算得到的散货船剖面特性数据。
[0017] 图8是本发明一实施例步骤S7计算得到的散货船的总纵弯矩-曲率曲线及极限弯 矩值。
[0018] 图3~图6中数字1~113为节点号，[1]~[120]为板单元号，（1)~(94)为加筋板单 元号，①~Θ为硬角单元号。
[0019]
【具体实施方式】
[0020] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0021] 如图1所示，本发明提供一种总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，包括步骤Sl~ 步骤S7。
[0022] 步骤Sl，根据船舶的结构设计，绘制出用于总纵极限强度校核的船体横剖面结构 图，明确横剖面处参与船体总纵弯曲的结构件的尺寸大小； 优选的，所述船体横剖面宜采用船中1/2船厂范围内的。
[0023] 步骤S2,建立计算船体横剖面的离散化计算模型，将离散的节点、板、加强筋、板格 单元和硬角单元编号，为各单元及节点赋坐标值； 优选的，船体断面纵向连续板的交汇点、加强筋与板的连接点取为断面节点，并依次编 号。计算中所需要的节点数据为节点在总坐标系中的坐标值。
[0024] 步骤S3,定义结构材料，包括屈服极限，杨氏模量和泊松比。
[0025] 优选的，定义各种材料的编号，编号为整数，从1开始，依次加1。屈服极限和杨氏模 量的单位是牛每平方毫米(兆帕）。
[0026]步骤S4,定义板材的厚度、初始变形、残余应力及侧向压力和极限拉伸应力； 优选的，计算所需板的数据为板两端节点的节点号、厚度、初始变形、残余应力、侧向压 力、材料种类号和材料的拉伸极限强度。
[0027]步骤S5,定义加强筋坐标系与局部坐标系的夹角，腹板的高度和厚度，翼板的宽度 和厚度和结构比例极限系数； 优选的，加强筋坐标系和局部坐标系的夹角单位是度，逆时针为正;腹板高度与厚度， 翼板的宽度和厚度等的单位是毫米。
[0028] 步骤S6，定义组成板格单元和硬角单元的单元编号，初始变形，侧向压力和结构比 例极限系数； 步骤S7，基于Smi th方法导出的船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，对船体横剖 面离散计算模型进行极限承载能力分析。
[0029] 下面采用一实施例对本发明的上述步骤进一步作详细的介绍。
[0030] 实施例一 某大型散货船的总纵极限强度计算。
[0031] 步骤Sl，绘制横剖面图，明确模型参数，图见说明书附图2。
[0032]步骤S2,将模型横剖面进行划分 板和板的连接点，筋和板的连接点作为一个节点，板和板的连接处作为硬角单元，有加 强筋的位置作为一个板格单元。半横剖面单元划分结果见附图3~6,该模型有113个节点， 120个板单元，94个加筋板，19个硬角单元。将船体舭板部分简化成硬角单元，同时将甲板和 舷侧连接部分的弧形结构简化为加筋板单元。
[0033]步骤S3,定义结构材料，包括屈服极限，杨氏模量和泊松比。
[0034] 本例中只有一种船用钢材，屈服极限235MPa，杨氏模量206000MPa，泊松比0.3。 [0035]步骤S4,定义板材的厚度、初始变形、残余应力及侧向压力和极限拉伸应力； 步骤S5,定义加强筋坐标系与局部坐标系的夹角，腹板的高度和厚度，翼板的宽度和厚 胃车口力士士vh Uk /τ?ι丨士UIT曰名Π
步骤S6,定义组成板格单元和硬角单元的单元编号，初始变形，侧向压力和结构比例极 限系数； 步骤S7，基于Smi th方法导出的船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，对船体横剖 面离散计算模型进行极限承载能力计算。
[0036]得到散货船计算剖面得剖面特性，见附图7。
[0037]计算得到极限弯矩值和弯矩-曲率曲线，见附图8。
[0038]本发明基于Smith逐步破坏法既能达到足够的计算精度又大大简化了计算量。该 方法适用面广，既可以计算简单箱型梁的极限强度，也可以计算大型散货船，油船和集装箱 船等的极限强度。方法输入相对简单，输出方式多样化。简单易操作，具有工程可行性，对船 舶的极限强度直接计算提供了平台，有利于海军所提出的精细设计的原则，有利于提升船 舶的总体性能。
[0039] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元 及算法步骤，能够以计算机软件来实现。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同 方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0040] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神 和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之 内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一:绘制船体横剖面的结构图； 步骤二:建立计算船体横剖面的离散化计算模型，将离散的节点、板、加强筋、板格单元 和硬角单元编号，为各单元及节点赋坐标值； 步骤三:定义结构材料，包括屈服极限，杨氏模量和泊松比； 步骤四：定义板材的厚度、初始变形、残余应力及侧向压力和极限拉伸应力； 步骤五:定义加强筋坐标系与局部坐标系的夹角，腹板的高度和厚度，翼板的宽度和厚 度和结构比例极限系数； 步骤六:定义组成板格单元和硬角单元的单元编号，初始变形，侧向压力和结构比例极 限系数； 步骤七:基于Smith方法导出的船体总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，对船体横剖 面离散计算模型进行极限承载能力分析。2. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述船 体横剖面的离散化采用计算时将船体断面划分成由板格单元和硬角单元组成的离散化模 型，并假定单元之间相互独立，单元特性用载荷-端部缩短曲线表示。3. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述 Smith方法采用将总纵极限弯矩下船体梁的破坏行为简化为逐渐增加梁体纵向弯曲曲率， 把加筋板单元性能结合到梁的整体分析中，运用叠加方法得到完整的船体梁的弯矩--曲 率关系曲线，当曲线的斜率为零时，所对应的弯矩即为极限弯矩。4. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤七中对于板格弯曲屈曲的破坏摸式，考虑初始变形、侧向压力的影响;对于加强筋扭转屈 曲的破坏模式，考虑侧向压力的影响。5. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤一船体横剖面采用船中1/2船厂范围内的。6. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤二船体断面纵向连续板的交汇点、加强筋与板的连接点取为断面节点，并依次编号，计算 中所需要的节点数据为节点在总坐标系中的坐标值。7. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤三定义各种材料的编号，编号为整数，从1开始，依次加1，屈服极限和杨氏模量的单位是 牛每平方毫米。8. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤四计算所需板的数据为板两端节点的节点号、厚度、初始变形、残余应力、侧向压力、材料 种类号和材料的拉伸极限强度。9. 如权利要求1所述的船舶总纵极限强度简化逐步破坏分析方法，其特征在于，所述步 骤五加强筋坐标系和局部坐标系的夹角单位是度，逆时针为正;腹板高度与厚度，翼板的宽 度和厚度等的单位是毫米。
【文档编号】G06F17/50GK105844033SQ201610188827
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】彭正梁, 韩正君, 周艳秋
【申请人】中国舰船研究设计中心