CN108984885B - 一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法 - Google Patents

一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，包括：步骤S1：确定装载甲板安全使用的许可永久变形参数；步骤S2：建立局部准静态均布载荷模型，对材料参数、板厚、板格长度、板格宽度以及轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值进行无量纲化；步骤S3：选取一种板格的柔度系数，得到许可变形值，计算出系列载荷‑永久变形曲线，通过拟合得到长宽比影响系数公式；步骤S4：选取的特定长宽比，计算出不同的载荷值，通过拟合得到无量纲公式；步骤S5：得到适合的无量纲板厚设计公式，将无量纲板厚设计公式转化为有量纲板厚设计公式。本发明能解决不同轮印尺寸下、不同轮印载荷下以及不同板格尺寸的甲板板厚设计问题。

Description

一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法
技术领域
本发明涉及船舶与海洋结构物结构的技术领域，尤其涉及一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法。
背景技术
现代舰船或海洋平台的甲板受轮载作用的情况越来越多，如载有直升机的舰船、海洋平台及超大型海上浮动平台,载有轮式车辆的舰船、滚装船、车辆运输船等。直升机在紧急着陆甚至坠毁、即时着陆、以及急剧船舶运动下着陆等情况下会对甲板产生巨大的冲击载荷，在目前的工程设计中，一般采用等效静力方法求解飞机着陆时甲板的应力和变形，即用一个动力放大系数乘以飞机重量作为等效外力，静止作用于甲板的某一固定位置上，其中动力放大系数可以在实际飞机着陆问题中得到。在局部轮印载荷的作用下，这些舰船等的甲板会发生弹塑性变形。因此，在轮载等效载荷作用下的甲板板格的弹塑性设计方法研究显得至关重要。
对于甲板板架而言，目前国内外主要采用弹性理论设计方法，然而，当作用于甲板板格上的轮印载荷导致甲板开始进入屈服，这并不代表甲板已达到极限承载，实际上甲板可以承受比这大几倍的局部载荷，然后才以某种方式破坏或其永久变形达到不能容许的程度。因此，若整个甲板板架都按弹性理论设计，显然过于保守。考虑到甲板板格进入塑性时，还有较大的承载能力，为了减轻船舶设计重量，又保证甲板在轮载作用下有较高的安全性能，基于许可永久变形准则下的甲板弹塑性设计方法具有很高的工程实际意义。
发明内容
针对现有的弹性理论设计方法不代表甲板已达到极限承载存在的上述问题，现提供一种旨在能有效解决不同轮印尺寸下、不同轮印载荷下以及不同板格尺寸的甲板板厚设计问题的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法。
具体技术方案如下：
一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，包括：
步骤S1：确定装载甲板安全使用的许可永久变形参数；
步骤S2：根据所述装载甲板的材料参数，建立局部准静态均布载荷模型，通过非线性有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚、板格长度、板格宽度以及轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值，并对所述装载甲板的所述材料参数、所述装载甲板的所述板厚、所述装载甲板的所述板格长度、所述装载甲板的所述板格宽度以及所述装载甲板的所述轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值均进行无量纲化；
步骤S3：选取一种特定的所述装载甲板板格的柔度系数，保证所述装载甲板板格宽度不变，基于所述许可永久变形参数，得到与所述许可永久变形参数对应的许可变形值；
通过有限元计算得出的系列载荷-永久变形曲线，从而分别得到不同的长宽比下的不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，然后以其中一种特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下对应的所述载荷值为基准，通过拟合得到与该所述一种载荷值相应的长宽比影响系数公式；
步骤S4：根据所述特定长宽比，基于所述许可变形值，通过有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚以及不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，通过拟合得到所述特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下的载荷-柔度系数无量纲公式；
步骤S5：结合所述步骤S3和所述步骤S4，得到适合不同的长宽比以及不同的载荷长度和宽度下的无量纲板厚设计公式；
步骤S6：将所述无量纲板厚设计公式转化为有量纲板厚设计公式。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，步骤S5.1：通过有限元计算结果对所述无量纲板厚设计公式的拟合精度进行验证。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，在所述步骤S1中，所述许可永久变形参数为无量纲参数，所述许可永久变形参数的取值范围为0.1～0.4。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，在所述步骤S2中，所述局部准静态均布载荷模型为双线性材料参数模型，局部准静态均布载荷模型的边界条件设置为四周刚性固定的单板，并在轮印区域施加局部均布载荷。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，在所述步骤S3中，所述长宽比影响系数公式为：
Figure GDA0004058922780000031
Figure GDA0004058922780000032
Figure GDA0004058922780000033
其中：φα为长宽比影响系数；m1为长宽比影响系数的截距；m2为长宽比影响系数的斜率；a为直升机的轮印长度，单位m；l为甲板板格长度，单位m；s为甲板板格宽度，单位m。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，在所述步骤S4中，所述载荷-柔度系数无量纲公式为：
Figure GDA0004058922780000034
Figure GDA0004058922780000035
Figure GDA0004058922780000041
其中：Qp为无量纲载荷参数；k1为载荷-柔度系数无量纲公式的截距；k2为载荷-柔度系数无量纲公式的斜率；Cb为甲板板格柔度系数，b为轮印宽度，单位m。
上述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其中，在所述步骤S5中，所述无量纲板厚设计公式为：
Figure GDA0004058922780000042
根据步骤S5中的有量纲板厚设计公式为：
Figure GDA0004058922780000043
其中：t为装载甲板板厚，单位mm；p为局部均布载荷，即为轮印设计载荷，单位MPa；σs为材料的屈服强度；E为材料的杨氏模量。
上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：
本发明在甲板的许可永久变形参数确定下，基于弹塑性理论，通过一系列有限元计算结果得出了装载甲板的板格长宽比影响系数公式，并拟合出特定长宽比下适合不同的载荷长度和宽度下的载荷-柔度系数无量纲公式，从而就可以得出装载甲板的板厚设计公式；根据所知道装载甲板的轮印尺寸、板格尺寸以及轮印载荷大小，可以利用板厚设计公式来计算出甲板的板厚设计尺寸，能有效解决不同轮印尺寸下、不同轮印载荷下以及不同板格尺寸的甲板板厚设计问题，根据弹塑性设计方法得到的板厚设计公式来计算装载甲板板厚，简单方便，准确高效。本发明所提供的设计方法完整、适用，可以结合装载甲板的实际情况进行计算，易于实现。
附图说明
图1为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的装载甲板的板格长宽比影响系数φα与
Figure GDA0004058922780000051
之间关系曲线图；
图2为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的b/s＝1/7下Qp和
Figure GDA0004058922780000052
的拟合曲线与有限元计算结果曲线对比图；
图3为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的b/s＝3/7下Qp和
Figure GDA0004058922780000053
的拟合曲线与有限元计算结果曲线对比图；
图4为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的b/s＝5/7下Qp和
Figure GDA0004058922780000054
的拟合曲线与有限元计算结果曲线对比图；
图5为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的b/s＝1下Qp和
Figure GDA0004058922780000055
的拟合曲线与有限元计算结果曲线对比图；
图6为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的截距k1的拟合公式计算结果与有限元计算结果对比图；
图7为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的斜率k2的拟合公式计算结果与有限元计算结果对比图；
图8为本发明基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1至图8所示，示出了一种较佳实施例的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，包括：
步骤S1：确定装载甲板安全使用的许可永久变形参数，许可永久变形参数为无量纲参数，所述许可永久变形参数的取值范围为0.1～0.4；
优选的，永久变形参数为Cω，Cω为无量纲参数，取值范围为0.1～0.4。
步骤S2：通过所述装载甲板的材料参数，建立局部准静态均布载荷模型，通过非线性有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚、板格长度、板格宽度以及轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值，并对所述装载甲板的所述材料参数、所述装载甲板的所述板厚、所述装载甲板的所述板格长度、所述装载甲板的所述板格宽度以及所述装载甲板的所述轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值均进行无量纲化；
优选的，在所述步骤S2中，所述局部准静态均布载荷模型为双线性材料参数模型，局部准静态均布载荷模型的边界条件设置为四周刚性固定的单板，并在轮印区域施加局部均布载荷。
步骤S3：选取一种特定的所述装载甲板板格的柔度系数，保证所述装载甲板板格宽度不变，基于所述许可永久变形参数，得到与所述许可永久变形参数对应的许可变形值；
通过有限元计算得出的系列载荷-永久变形曲线，从而分别得到不同的长宽比下的不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，然后以其中一种特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下对应的所述载荷值为基准，通过拟合得到与该所述一种载荷值相应的长宽比影响系数公式；
步骤S4：根据所述特定长宽比，基于所述许可变形值，通过有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚以及不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，通过拟合得到所述特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下的载荷-柔度系数无量纲公式；
步骤S5：结合所述步骤S3和所述步骤S4，得到适合不同的长宽比以及不同的载荷长度和宽度下的无量纲板厚设计公式；
步骤S5.1：通过有限元计算结果对所述无量纲板厚设计公式的拟合精度进行验证；
步骤S6：将所述无量纲板厚设计公式转化为有量纲板厚设计公式。
进一步，作为一种较佳的实施例，步骤S3中的选取一种特定的板格柔度系数Cb＝2.08，其中柔度系数表达式为：
Figure GDA0004058922780000061
所保证的甲板板格宽度不变，即s＝0.7m。由不同的长宽比下的载荷-位移曲线的变化趋势可以发现，对于选定的载荷尺寸，当板格的长宽比大于2.5时，长宽比对装载甲板的弹塑性能基本没有影响。选取长宽比l/s＝3.428时的载荷值为基准，此时的载荷-位移曲线已经基本不会随着长宽比的变化而变化，将不同的载荷尺寸下其他长宽比的载荷值除以对应的长宽比l/s＝3.428下的载荷值，即
Figure GDA0004058922780000071
，从而比较φα与
Figure GDA0004058922780000072
各参数之间的关系。装载甲板的板格长宽比影响系数φα与
Figure GDA0004058922780000073
之间关系曲线如图1所示，可以看出在不同a/s下φα与
Figure GDA0004058922780000074
服从一次线性关系，在所述步骤S3中，所述长宽比影响系数公式为：
Figure GDA0004058922780000075
Figure GDA0004058922780000076
Figure GDA0004058922780000077
式(1)(2)(3)中：φα为长宽比影响系数；m1为长宽比影响系数的截距；m2为长宽比影响系数的斜率；a为直升机的轮印长度，单位m；l为甲板板格长度，单位m；s为甲板板格宽度，单位m。
进一步，作为一种较佳的实施例，步骤S4中的所选取的特定的长宽比为3.428，改变装载甲板的轮印的长度和宽度，选取了6组不同板厚的单板计算模型，依次为8mm、10mm、12mm、14mm、16mm和18mm，从而计算局部载荷和最大永久位移的对应关系，得到在确定的永久变形参数下，不同的板厚以及不同的载荷长度和宽度下对应的Qp值，从而可以找到不同轮印尺寸下的Qp和Cb值之间的关系。经过系数变化，Qp与1/Cb 2存在一定的关系，如图2，图3，图4，图5，图6所示，图中显示的有限元结果曲线可近似拟合为直线，从而可知不同轮印尺寸下Qp与1/Cb 2服从一次线性关系，在所述步骤S4中，所述载荷-柔度系数无量纲公式为：
Figure GDA0004058922780000078
Figure GDA0004058922780000081
Figure GDA0004058922780000082
式(4)(5)(6)中：Qp为无量纲载荷参数；k1为载荷-柔度系数无量纲公式的截距；k2为载荷-柔度系数无量纲公式的斜率；Cb为甲板板格柔度系数，b为轮印宽度，单位m。
将步骤S4中的通过拟合得到特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下的载荷-柔度系数公式中截距k1与斜率k2进行变换，将不同的轮印宽度下的
Figure GDA0004058922780000083
与a/s之间关系通过拟合公式得到计算结果与有限元计算结果进行对比，同理并将不同的轮印宽度下
Figure GDA0004058922780000084
与a/s之间关系通过拟合公式得到计算结果与有限元计算结果进行对比，如图5和图6所示，可以发现拟合公式结果与有限元直接计算结果比较吻合，说明了拟合公式具有较高的准确性。
进一步，作为一种较佳的实施例，步骤S5中的无量纲载荷参数Qp的表达式为：
Figure GDA0004058922780000085
式中P为轮载压力，单位MN，且P＝p·a·b，p为局部均布载荷，即为轮印设计载荷，单位MPa。
在所述步骤S5中，结合步骤S3和步骤S4，所述无量纲板厚设计公式为：
Figure GDA0004058922780000086
将公式(9)和公式(10)代入公式(7)中，可以得到的有量纲板厚设计公式为：
Figure GDA0004058922780000091
式(8)中：t为装载甲板板厚，单位mm；p为局部均布载荷，即为轮印设计载荷，单位MPa。
综上，本发明可以基于已知的许可永久变形参数，根据所知道的轮印尺寸、板格尺寸以及轮印载荷大小，利用板厚设计公式来计算出甲板的板厚设计尺寸。它能有效解决不同轮印尺寸、不同轮印载荷以及不同板格尺寸下的甲板板厚设计问题，根据弹塑性设计方法得到的板厚设计公式来计算直升机甲板板厚，简单方便，准确高效。本发明所提供的设计方法完整、适用，可以结合直升机甲板的实际情况进行计算，易于实现。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其特征在于，包括：
步骤S1：确定装载甲板安全使用的许可永久变形参数；
步骤S2：根据所述装载甲板的材料参数，建立局部准静态均布载荷模型，通过非线性有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚、板格长度、板格宽度以及轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值，并对所述装载甲板的所述材料参数、所述装载甲板的所述板厚、所述装载甲板的所述板格长度、所述装载甲板的所述板格宽度以及所述装载甲板的所述轮印尺寸下一系列轮印载荷下的最大永久变形值均进行无量纲化；
步骤S3：选取一种特定的所述装载甲板板格的柔度系数，保证所述装载甲板板格宽度不变，基于所述许可永久变形参数，得到与所述许可永久变形参数对应的许可变形值；
通过有限元计算得出的系列载荷-永久变形曲线，从而分别得到不同的长宽比下的不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，然后以其中一种特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下对应的所述载荷值为基准，通过拟合得到与该基准载荷值相应的长宽比影响系数公式；
步骤S4：根据所述特定长宽比，基于所述许可变形值，通过有限元计算出不同的所述装载甲板的板厚以及不同的载荷长度和宽度对应的载荷值，通过拟合得到所述特定长宽比下的不同的载荷长度和宽度下的载荷-柔度系数无量纲公式；
步骤S5：结合所述步骤S3和所述步骤S4，得到适合不同的长宽比以及不同的载荷长度和宽度下的无量纲板厚设计公式；
步骤S6：将所述无量纲板厚设计公式转化为有量纲板厚设计公式；
所述长宽比影响系数公式为：
Figure FDA0004058922770000011
Figure FDA0004058922770000021
Figure FDA0004058922770000022
其中：φα为长宽比影响系数；m1为长宽比影响系数的截距；m2为长宽比影响系数的斜率；a为直升机的轮印长度，单位m；l为甲板板格长度，单位m；s为甲板板格宽度，单位m；
所述载荷-柔度系数无量纲公式为：
Figure FDA0004058922770000023
Figure FDA0004058922770000024
Figure FDA0004058922770000025
其中：Qp为无量纲载荷参数；k1为载荷-柔度系数无量纲公式的截距；k2为载荷-柔度系数无量纲公式的斜率；Cb为甲板板格柔度系数，b为轮印宽度，单位m；
所述无量纲板厚设计公式为：
Figure FDA0004058922770000026
所述有量纲板厚设计公式为：
Figure FDA0004058922770000031
其中：t为装载甲板板厚，单位mm；p为局部均布载荷，即为轮印设计载荷，单位MPa；σs为材料的屈服强度；E为材料的杨氏模量。
2.根据权利要求1所述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其特征在于，步骤S5.1：通过有限元计算结果对所述无量纲板厚设计公式的拟合精度进行验证。
3.根据权利要求1所述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述许可永久变形参数为无量纲参数，所述许可永久变形参数的取值范围为0.1～0.4。
4.根据权利要求1所述的基于许可永久变形下的装载甲板板设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述局部准静态均布载荷模型为双线性材料参数模型，局部准静态均布载荷模型的边界条件设置为四周刚性固定的单板，并在轮印区域施加局部均布载荷。
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