CN110162881B - 一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶结构设计领域，尤其涉及一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，包括：建立非线性有限元分析模型，依据有限元分析模型计算模型的约束扭转极限强度，依据有限元分析模型计算模型的自由扭转极限强度，计算约束扭转和自由扭转的极限承载能力之差，依据约束扭转极限承载能力和自由扭转极限承载能力的差计算模型在弯剪扭组合加载下弯矩和剪力的极限强度并获得变形云图和载荷‑位移曲线，依据有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力计算模型在弯剪扭组合加载下的自由扭转极限强度并获得载荷‑位移曲线。本发明用于确定弯剪扭组合加载作用下船舯区域船体梁的极限承载能力。

Description

一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法
技术领域
本发明涉及船舶结构设计领域，尤其涉及一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法。
背景技术
随着计算技术的迅速发展，船舶结构极限强度的评估越来越多地采用有限元方法，而这一工作的首要问题就是如何建立有限元模型。垂向弯矩作用下船体梁的极限强度最受关注也最为成熟。对于具有大开口、扭转刚度较低的集装箱船，弯剪扭的组合作用尤其重要。船体的扭转分析表明船舯双力矩较小，翘曲应力也较小，以自由扭转为主，因此船舯区域主要承受自由扭转和弯剪组合荷载作用。然而，由于问题的复杂性，该位置极限强度的理论和试验研究并不多见。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，通过寻找船舯区域扭转和弯剪组合下的边界条件和确定方法，用有限元分析来进行研究。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，包括：
步骤S1，取船舯船体梁横截面模型建立非线性有限元分析模型；
步骤S2，依据所述有限元分析模型计算约束扭转极限承载能力；
步骤S3，依据所述有限元分析模型计算自由扭转极限承载能力；
步骤S4，计算所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差；
步骤S5，依据所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力，并获得变形云图和载荷-位移曲线；
步骤S6，依据所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下的所述自由扭转极限承载能力，并获得载荷-位移曲线。
优选的，所述步骤S1中，所述有限元分析模型取船舯船体梁横截面模型，长度方向采用一跨范围，所述有限元分析模型中不含横向构件。
优选的，所述步骤S2中，所述有限元分析模型采用一端x、y、z方向线位移约束，另一端在形心位置作用扭矩，并通过所述有限元分析模型计算所述约束扭转极限值。
优选的，所述步骤S3中包括：
步骤S31,对所述有限元分析模型非加载端面的所有纵向构件节点进行y、z线位移约束。
优选的，所述步骤S3中还包括：
步骤S32，对加载端面的所有纵向构件节点与关联点的y、z线位移、x角位移进行耦合关联。
优选的，所述步骤S3中还包括：
步骤S33，在扭心处施加x方向的扭矩。
优选的，所述步骤S3中还包括：
步骤S34,对外底板中心线上的节点约束x、y、z线位移。
优选的，所述步骤S5中包括：
步骤S51，一跨所述有限元分析模型采用一端x、y、z方向线位移约束，另一端在形心位置作用所述步骤S4中计算得到的所述约束扭转与所述自由扭转极限承载能力之差。
优选的，所述步骤S5中还包括：
步骤S52，在所述步骤S51的基础上，在加载端的形心位置处作用所述扭矩、所述弯矩和所述剪力，通过所述有限元分析模型计算可得组合状态下的所述弯矩、所述剪力极限值，并获得载荷-位移曲线及变形云图。
优选的，所述步骤S6中，将所述步骤S5中计算得到的弯剪扭组合下所述弯矩和所述剪力的极限承载能力值减去所述约束扭转与所述自由扭转的扭矩值差，并获得载荷-位移曲线。
其有益效果在于：
一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，可用以确定弯剪扭组合加载作用下船舯区域船体梁的极限承载能力，减轻计算问题的复杂性。
附图说明
图1为非线性有限元分析模型和非线性有限元分析模型截面；
图2为约束扭转的边界条件和加载示意；
图3为自由扭转的边界条件和加载示意；
图4为船舯区域弯剪扭组合作用下的边界条件和加载示意；
图5为船舯区域弯剪扭组合作用下的弯矩-转角曲线；
图6为船舯区域弯剪扭组合作用下的剪力-位移曲线；
图7为船舯区域弯剪扭组合作用下的扭矩-转角曲线；
图8为船舯区域弯剪扭极限状态下的变形云图；
图9为一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法步骤框图。
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。
参照图9为本发明提供的一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法步骤框图，包括：
步骤S1，取船舯船体梁横截面模型建立非线性有限元分析模型；
进一步的，鉴于船体梁舱段模型能准确地模拟船舯区域结构在弯剪扭组合作用下极限承载能力，但缺点是模型大，非线性计算时间长且收敛性差，因此有限元分析模型取船舯船体梁横截面模型，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。参照图1按照实际试验的模型尺寸建立有限元分析模型，材料属性和实际试验模型一致，如表1：
单位；mm
Figure BDA0002069073860000041
表1
有限元网格划分如下：水平板纵骨间划分18个单元，侧壁纵骨间划分27个单元，腹板划分3个单元，扶强材翼缘为梁单元。
进一步的，步骤S2，依据所述有限元分析模型计算约束扭转极限承载能力。
参照图2模型采用一端x、y、z方向线位移约束，一端在形心位置作用扭矩，通过有限元分析模型计算约束扭转极限值。
进一步的，步骤S3，依据所述有限元分析模型计算自由扭转极限承载能力。
参照图3对有限元分析模型非加载端面的所有纵向构件节点进行y、z线位移约束，加载端面的所有纵向构件节点与关联点的y、z线位移、x角位移进行耦合关联，并在扭心处施加x方向的扭矩。为防止刚体运动，对外底板中心线上的节点约束x、y、z线位移；亦或采用理论方法计算梁的自由扭转极限值。
进一步的，步骤S4，计算所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差；
进一步的，步骤S5，依据所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力，并获得变形云图和载荷-位移曲线。
参照图4自由扭转和弯剪组合下的极限承载能力计算通过对两个分析步作用荷载来实现。第一个分析步中，一跨有限元分析模型采用一端x、y、z方向线位移约束，另一端在形心位置作用步骤S4中计算得到的约束扭转与自由扭转极限承载能力之差；第二个分析步在第一步的基础上，在加载端的形心位置处作用扭矩、弯矩和剪力值；通过确定可得组合状态下的弯矩、剪力极限值，并获得载荷-位移曲线和变形云图。
本发明较佳的实施例中：
(1)极限强度计算结果汇总，如表2：
Figure BDA0002069073860000061
表2
(2)弯矩-转角曲线，参照图5；
(3)剪力-位移曲线，参照图6；
(4)极限状态下的变形云图，参照图8。
进一步的，步骤S6，依据所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下的所述自由扭转极限承载能力，并获得载荷-位移曲线，如表2所示，并获得载荷-位移曲线，参照图8。
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 (5)

1.一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，包括：
步骤S1，取船舯船体梁横截面模型建立非线性有限元分析模型；
步骤S2，依据所述有限元分析模型计算约束扭转极限承载能力；
步骤S3，依据所述有限元分析模型计算自由扭转极限承载能力；
步骤S4，计算所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差；
步骤S5，依据所述约束扭转极限承载能力和所述自由扭转极限承载能力的差计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力，并获得变形云图和载荷-位移曲线；
步骤S6，依据所述有限元分析模型在弯剪扭组合下弯矩和剪力的极限承载能力计算所述有限元分析模型在弯剪扭组合下的所述自由扭转极限承载能力，并获得载荷-位移曲线；
所述步骤S2中，所述有限元分析模型采用一端x、y、z方向线位移约束，另一端在形心位置作用扭矩，并通过所述有限元分析模型计算约束扭转极限值；
所述步骤S3中包括：
步骤S31，对所述有限元分析模型非加载端面的所有纵向构件节点进行y、z线位移约束；
步骤S32，对加载端面的所有纵向构件节点与关联点的y、z线位移、x角位移进行耦合关联；
步骤S33，在扭心处施加x方向的扭矩；
步骤S34，对外底板中心线上的节点约束x、y、z线位移。
2.根据权利要求1所述的一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述有限元分析模型取船舯船体梁横截面模型，长度方向采用一跨范围，所述有限元分析模型中不含横向构件。
3.根据权利要求1所述的一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，所述步骤S5中包括：
步骤S51，一跨所述有限元分析模型采用一端x、y、z方向线位移约束，另一端在形心位置作用所述步骤S4中计算得到的所述约束扭转与所述自由扭转极限承载能力之差。
4.根据权利要求3所述的一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，所述步骤S5中还包括：
步骤S52，在所述步骤S51的基础上，在加载端的形心位置处作用所述扭矩、所述弯矩和所述剪力，通过所述有限元分析模型计算可得组合状态下的所述弯矩、所述剪力极限值，并获得载荷-位移曲线及变形云图。
5.根据权利要求1所述的一种弯剪扭组合下船舯结构极限承载能力的确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，将所述步骤S5中计算得到的弯剪扭组合下所述弯矩和所述剪力的极限承载能力值减去所述约束扭转与所述自由扭转的扭矩值差，并获得载荷-位移曲线。
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