CN110119592B - 一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶结构设计技术领域，具体涉及一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法。本发明应用薄壁结构力学理论，提出了船体梁约束扭转极限状态应力分布的若干假设，通过计算船体横剖面内围壁板格和外围壁板格的极限剪切强度，然后计算所有外围板格的极限剪切能力，再计算内围壁板格的距离折减系数以及内围壁板格在薄壁梁极限状态时的极限剪切能力，最终计算出薄壁梁的约束扭转极限承载能力，本发明可用以确定约束扭转作用下船体梁的极限承载能力，减轻了薄壁杆件约束扭转时的极限分析问题的计算复杂问题。

Description

一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法
技术领域
本发明涉及船舶结构设计技术领域，尤其涉及一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法。
背景技术
随着集装箱船的大型化，船体扭转极限承载能力愈发受到重视。按照薄壁结构力学理论，扭转分为自由扭转和约束扭转两种，相应的极限承载能力也就分为自由扭转和约束扭转极限承载能力。
对于船体梁自由扭转极限承载能力，已经有成熟的计算公式。在约束扭转极限承载能力的研究方面，由于薄壁杆件约束扭转时的极限分析问题比较复杂，相应的研究成果很少，缺乏相应的计算方法和公式。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种船体梁约束扭转极限承载能力的确认方法，其特征在于，包括：
步骤S1，计算所有外围壁板格的极限剪切强度和所有内围壁板格的极限剪切强度；
步骤S2，依据所述外围壁板格的极限剪切强度计算所述外围壁板格的剪切极限承载能力；
步骤S3，依据所述内围壁板格的极限剪切强度计算所述内围壁板格的距离折减系数；
步骤S4，依据所述内围壁板格的极限剪切强度和所述内围壁板格的距离折减系数计算所述内围壁板格的剪切极限承载能力；
步骤S5，依据外围壁板格的剪切极限承载能力和所述内围壁板格在极限状态时的剪切极限承载能力计算所述船体梁约束扭转极限承载能力。
优选的，所述步骤S1中，所述外围壁板格的极限剪切强度和内围壁板格的极限剪切强度由四边简支的板格临界剪应力τcr计算公式计算可得：
Figure BDA0002068835860000021
式中，ReH-P—板格的材料屈服强度，N/mm2；
Cτ—屈曲折减因子
Figure BDA0002068835860000022
λ—板格的参考长细比，
Figure BDA0002068835860000023
K—屈曲因子，
Figure BDA0002068835860000024
σE—板格的参考应力，N/mm2；
Figure BDA0002068835860000031
E—材料的弹性模量，N/mm2；t—板格厚度，mm；a—板格长度，mm；b—板格宽度，mm。
优选的，所述步骤S2中，所述外围壁板格的剪切极限承载能力为所述外围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度的乘积，即
Qi＝τcriliti  (6)
式中，Qi为所述外围壁第i个板格的剪切极限承载能力；τcri为所述外围壁第i个板格的极限剪切强度；li为第i个板格截面内的长度；ti为第i个板格界面内的厚度。
优选的，所述步骤S3中，所述内围壁板格的距离折减系数为内围壁板格到形心轴距离和对应所述外围壁板格到形心轴距离之比的平方，即
kj＝(dj/Dj)2  (7)
式中kj为所述内围壁板格的距离折减系数；dj为第j个所述内围壁板格到形心轴的距离；Dj为第j个所述外围壁板格到形心轴的距离。
优选的，所述步骤S4中，所述内围壁板格的剪切极限承载能力为所述内围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度、距离折减系数的乘积，即
Qj＝kjτcriljtj  (8)
式中，Qj为所述内围壁第j个板格达到极限状态时的极限剪切承载能力；lj为第j个板格截面内的长度；tj为第j个板格截面内的厚度。
优选的，所述步骤S5中，所述船体梁约束扭转极限承载能力为所述外围壁和所述内围壁板格的扭转极限承载能力之和，即
Figure BDA0002068835860000041
式中Tu为所述船体梁约束扭转极限承载能力；n1,n2分别为截面所述外围壁、所述内围壁的板格数；di为第i个板格到形心轴的距离。
优选的，所述外围壁板格包括外舷侧和外侧横向板的板格。
优选的，所述内围壁板格包括内舷侧、舭部、底边舱斜板、底板纵桁和内侧横向板的板格。
其有益效果在于：本发明基于薄壁结构力学理论，提出船体梁约束扭转极限状态应力分布的若干假设，并推导出一端固定、一端受扭矩作用的船体梁扭转极限承载能力的计算公式，减轻了薄壁杆件约束扭转时的极限分析问题的计算复杂问题。
附图说明
图1为薄壁结构达到约束扭转极限状态时截面的极限剪切承载能力分布；
图2为船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法逻辑步骤图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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。
在本发明具体实施例中，本发明采用极限分析的方法，即在确定结构的极限承载能力时，忽略弹性变形阶段，把材料看作理想弹塑性，提出了一端固定，一端受扭矩作用的船体梁达到极限状态时的应力分布和破坏模式假设。
参照图1为薄壁结构达到约束扭转极限状态时截面的极限剪切承载能力分布：
当船体梁达到约束扭转极限承载能力时，横截面上所有板格的剪流3对形心轴的力矩与截面所受扭矩1方向相同。
多闭室薄壁结构达到约束扭转极限承载能力时，剪应力符合沙堆比拟，内围壁的剪应力按照外围壁剪应力折减，折减系数为内围壁与外围壁到形心2距离之比的平方。
船体梁的所有板格都是独立的，当外围侧所有板格达到剪切极限强度时，所有板格(不计内围壁和外围壁之间的支撑板格)的极限剪切承载能力对截面形心2的扭矩1为船体梁的约束扭转极限承载能力。
薄壁结构的约束扭转极限承载能力计算公式基于以上内容推导而得。
在本发明的一个具体的实施例中，参照图2为船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法逻辑步骤图，包括：
步骤S1，计算所有外围壁板格的极限剪切强度和所有内围壁板格的极限剪切强度；
计算极限剪切强度时取实际船体梁横截面模型，长度方向采用1跨范围，即强框架间距范围，模型中不含横向构件，材料属性和实际试验模型一致。分别计算一跨船体梁的所有外围壁板格的极限剪切强度。外围壁板格的极限剪切强度和内围壁板格的极限剪切强度可由(1)-(5)式计算得到，其中实船的外围壁板格包括外舷侧和外侧横向板的板格，实船的内围壁板格包括内舷侧、舭部、底边舱斜板、底板纵桁和内侧横向板的板格，其中内围壁和外围壁之间的支撑板格不参与计算。
四边简支的板格临界剪应力τcr计算公式：
Figure BDA0002068835860000061
式中，ReH-P—板格的材料屈服强度，N/mm2；
Cτ—屈曲折减因子
Figure BDA0002068835860000062
λ—板格的参考长细比，
Figure BDA0002068835860000063
K—屈曲因子，
Figure BDA0002068835860000064
σE—板格的参考应力，N/mm2；
Figure BDA0002068835860000065
E—材料的弹性模量，N/mm2；t—板格厚度，mm；a—板格长度，mm；b—板格宽度，mm。
步骤S2，依据外围壁板格的极限剪切强度计算外围壁板格的剪切极限承载能力；
由外围壁板格的剪流分布可知，外围壁板格的剪切极限承载能力为外围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度的乘积，计算公式见式(6)。
Qi＝τcriliti  (6)
式中，Qi为外围壁第i个板格的剪切极限承载能力；τcri为外围壁第i个板格的极限剪切强度；li为第i个板格截面内的长度；ti为第i个板格截面内的厚度。
步骤S3，依据内围壁板格的极限剪切强度计算内围壁板格的距离折减系数；
内围壁板格的距离折减系数为内围壁板格到形心轴距离和对应外围壁板格到形心轴距离之比的平方，即
kj＝(dj/Dj)2  (7)
式中kj为距离折减系数，Dj为第j个外围壁板格到形心轴的距离，dj分别为第j个内围壁板格到形心轴的距离。计算可得距离折减系数(见表1)。
步骤S4，依据内围壁板格的极限剪切强度和内围壁板格的距离折减系数计算内围壁板格的剪切极限承载能力；
由内围壁板格的剪流分布可知，内围壁板格的极限剪切承载能力为内围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度、距离折减系数的乘积，计算公式见式(8)。
Qj＝kjτcriljtj  (8)
式中，Qj为内围壁第j个板格达到极限状态时的极限剪切承载能力；lj为第j个板格的长度；tj为第j个板格截面内的厚度。
步骤S5，依据外围壁板格的剪切极限承载能力和内围壁板格在极限状态时的剪切极限承载能力计算所述船体梁约束扭转极限承载能力；
船体梁约束扭转极限承载能力为外围壁和内围壁板格的扭转极限承载能力之和，即
Figure BDA0002068835860000081
式中Tu为船体梁约束扭转极限承载能力；n1,n2分别为截面外围壁、内围壁的板格数；di为第i个板格到形心轴的距离。通过公式计算可得船体梁约束扭转极限承载能力(见表1)。
单位：1012N.mm
方法 公式 有限元 公式/有限元
扭转极限承载能力 8.67 9.19 0.94
表1
以上所述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 (7)

1.一种船体梁约束扭转极限承载能力的确认方法，其特征在于，包括：
步骤S1，计算所有外围壁板格的极限剪切强度和所有内围壁板格的极限剪切强度；
步骤S2，依据所述外围壁板格的极限剪切强度计算所述外围壁板格的剪切极限承载能力，所述外围壁板格的剪切极限承载能力为所述外围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度的乘积；
步骤S3，依据所述内围壁板格的极限剪切强度计算所述内围壁板格的距离折减系数，所述内围壁板格的距离折减系数为所述内围壁板格到形心轴距离和对应所述外围壁板格到所述形心轴距离之比的平方；
步骤S4，依据所述内围壁板格的极限剪切强度和所述内围壁板格的距离折减系数计算所述内围壁板格的剪切极限承载能力，所述内围壁板格的极限剪切承载能力为所述内围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度、距离折减系数的乘积；
步骤S5，依据所述外围壁板格的剪切极限承载能力和所述内围壁板格在极限状态时的剪切极限承载能力计算所述船体梁约束扭转极限承载能力，所述船体梁约束扭转极限承载能力为所述外围壁板格和所述内围壁板格的扭转极限承载能力之和；
所述步骤S1中，所述外围壁板格的极限剪切强度和内围壁板格的极限剪切强度由四边简支的板格临界剪应力τcr计算公式计算可得：
Figure FDA0004148867330000011
式中，ReH-P—板格的材料屈服强度，N/mm2；
Cτ—屈曲折减因子
Figure FDA0004148867330000021
λ—板格的参考长细比，
Figure FDA0004148867330000022
K—屈曲因子，
Figure FDA0004148867330000023
σE—板格的参考应力，N/mm2；
Figure FDA0004148867330000024
E—材料的弹性模量，N/mm2；t—板格厚度，mm；a—板格长度，mm；b—板格宽度，mm。
2.根据权利要求1所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述外围壁板格的剪切极限承载能力为所述外围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度的乘积，即
Qi＝τcriliti                       (6)
式中，Qi为所述外围壁第i个板格的剪切极限承载能力；τcri为所述外围壁第i个板格的极限剪切强度；li为第i个板格截面内的长度；ti为第i个板格界面内的厚度。
3.根据权利要求2所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述内围壁板格的距离折减系数为内围壁板格到形心轴距离和对应所述外围壁板格到形心轴距离之比的平方，即
kj＝(dj/Dj)2                                       (7)
式中kj为所述内围壁板格的距离折减系数；dj为第j个所述内围壁板格到形心轴的距离；Dj为第j个所述外围壁板格到形心轴的距离。
4.根据权利要求3所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述内围壁板格的剪切极限承载能力为所述内围壁板格的极限剪切强度和对应板格截面内的长度、厚度、距离折减系数的乘积，即
Qj＝kjτcriljtj                      (8)
式中，Qj为所述内围壁第j个板格达到极限状态时的剪力；lj为第j个板格截面内的长度；tj为第j个板格截面内的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述船体梁约束扭转极限承载能力为所述外围壁和所述内围壁板格的扭转极限承载能力之和，即
Figure FDA0004148867330000031
式中Tu为所述船体梁约束扭转极限承载能力；n1,n2分别为截面所述外围壁、所述内围壁的板格数；di为第i个板格到形心轴的距离。
6.根据权利要求1所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述外围壁板格包括外舷侧和外侧横向板的板格。
7.根据权利要求1所述的一种船体梁约束扭转极限承载能力的计算方法，其特征在于，所述内围壁板格包括内舷侧、舭部、底边舱斜板、底板纵桁和内侧横向板的板格。
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