CN111824356B - 一种轮印载荷作用下的i型夹层结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮印载荷作用下的I型夹层结构设计方法，其特征在于，步骤一：确定芯层间距；步骤二：根据芯层间距和上铺板最小厚度公式
Figure DDA0002607537280000011
确定上铺板的最小板厚；步骤三：根据上铺板的厚度确定下铺板的厚度；步骤四：根据船体甲板承载类型(飞机、车辆)确定芯层腹板高度；步骤五：根据夹层结构的弯曲、剪切稳定性要求确定芯层厚度；步骤六：最后验证夹层结构的最小剖面模数、最小惯性矩、最小剪切面积及稳定性是否符合标准。这种方法根据甲板或平台结构所承受的典型作业载荷(轮印载荷)，确定载荷作用位置及工况，分析夹层结构构件受力特征，确定构件最危险位置及相应合理的数学理论计算模型，推导出简单实用的计算公式，最终形成一套轮印载荷作用下针对船体甲板或平台的I型夹层结构设计方法。

Description

一种轮印载荷作用下的I型夹层结构设计方法
技术领域
本发明涉及一种轮印载荷作用下的I型夹层结构设计方法，属于船舶甲板设计领域。
背景技术
随着我国船舶从近海走向远海，为了抵抗更为恶劣的海洋环境、携带更多的装备，必然要求船舶具有更高的承载能力、防护能力等，但无论哪方面能力的提高，都是以重量和空间资源为代价的，因此，有必要应用新型轻质结构代替传统加筋板结构，从而优化船体结构设计，降低船体重量的同时并增强船体承载能力、防护能力等。
金属夹层结构是一类由金属上、下面板以及诸如波纹型、蜂窝型、桁架型等金属夹芯，通过激光焊接技术连接成一个整体的夹层结构。与传统的加筋板结构相比，其具有高比刚度和高比强度的特点，在疲劳、耐撞击、抗爆炸冲击、减振降噪以及防火、隔热等方面也具有优良的性能。除此之外，夹层结构还可以进行模块化建造，从而大幅提高船舶性能、缩短建造周期。金属夹层结构作为一种未来工程应用的新型结构，在船舶领域有着广阔的应用前景。
在此背景下，本发明充分考虑实施的可靠性和可行性，根据船舶飞行甲板、车辆甲板上的典型作业载荷(轮印载荷)，选取合理的理论推导公式，最终给出I型夹层结构的设计方法，以指导船体结构设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何能准确精确的设计I型夹层结构，使它能满足船体的设计要求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种轮印载荷作用下的I型夹层结构设计方法，其特征在于，步骤一：确定芯层间距；步骤二：根据芯层间距和上铺板最小厚度公式
Figure BDA0002607537260000011
确定上铺板的最小板厚；步骤三：根据上铺板的厚度确定下铺板的厚度；步骤四：根据船体甲板承载类型(飞机、车辆)确定芯层腹板高度；步骤五：根据夹层结构的弯曲、剪切稳定性要求确定芯层厚度；步骤六：最后验证夹层结构的最小剖面模数、最小惯性矩、最小剪切面积及稳定性是否符合标准。
优选的，所述的步骤一中芯层距离一般采用80mm-200mm。
优选的，所述的步骤二中上铺板的厚度不少于3mm。
优选的，所述的步骤三中下铺板的厚度为上铺板的一半，且不能小于3mm。
优选的，所述的步骤五中芯层的厚度是介于上铺板厚度与下铺板厚度之间，且不能小于3mm。
优选的，所述的步骤六中需要将夹层结构等效模拟成工字架然后根据公式验证各个性能
本发明提供了一种轮印载荷作用下的I型夹层结构的设计方法，该方法可以在船体结构方案设计阶段，帮助设计者快速方便地设计出针对轮印载荷作用下的甲板I型夹层结构。
附图说明
图1为夹层上铺板计算边界条件示意图；
图2为夹层板等效为工字梁示意图；
图3为工字梁上作用的等效线载荷示意图；
图4为芯层腹板在轮印载荷作用下的应力分布示意图；
图5为夹层结构设计流程示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
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。
具体实施方案如下：
(1)上铺板设计方法。在进行上铺板的最小厚度计算时，取一个板格内的轮印加载区域作为设计计算模型，同时计算载荷要进行折减，取为实际轮印载荷乘以板格宽度与轮印载荷之比值。根据两对边刚固(平行于芯层方向的边)、两对边简支的边界条件下承受均布载荷的绝对刚性板理论来计算板格中心点和板格长边中点的弯矩，其边界条件见图1。
在承受局部轮印载荷作用下，夹层上铺板的强度校核公式如下：
Figure BDA0002607537260000031
式中：
k2 – 板板格中心点处弯矩系数；
p – 轮印载荷压力，MPa；
b – 芯层腹板间距，mm；
t – 铺板板厚，mm；
[σ<sub>4</sub>] – 板的许用应力，MPa。
根据上述公式可以推导得到在设计夹层上铺板时，应满足如下最小厚度公式。
Figure BDA0002607537260000032
其中，k的取值见下表：
A/b 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 … 2.0 … ∞
k 0.0332 0.0356 0.0374 0.0388 0.0399 0.0406 - 0.0421 - 0.0417
表中，A为板格长边长度，b为板格短边长度。
(2)强构件之间夹层板格设计方法。在计算强构件之间夹层板格变形和应力时，考虑将芯层腹板和与之相连的夹层上下铺板作为等效纵骨，也就是将夹层板等效为类似工字梁的模型，见图2，从而将计算夹层板格变形和应力转换为计算工字梁模型的弯曲正应力和剪切应力。
将轮印面载荷作用形式等效为线载荷q，其大小为：q＝P·b。式中P为轮印面载荷，b为板格短边长度，等效线载荷作用形式见图3。由图3中工字梁简化模型及其等效载荷作用，推导出其剪力N、弯矩M、挠度υ的计算公式如下。
Figure BDA0002607537260000041
Figure BDA0002607537260000042
Figure BDA0002607537260000043
式中m为轮印作用区域长边长度的1/2，l为强构件之间的距离，x为所求应力点距芯层端部的距离，E为材料弹性模量，钢材取2.06E5MPa，I为夹层等效工字梁剖面惯性矩。
根据上述公式可以得到剪力N、弯矩M、挠度υ的极值。
对于剪力N，其极值位于梁模型的两端，即在x＝0和x＝l处。
Nmax＝N0＝Nl＝-mq
对于弯矩M，其极值同样位于梁模型的两端，即在x＝0和x＝l处。
Figure BDA0002607537260000044
对于挠度υ，其极值位于梁模型的跨中处，即在x＝l/2处。
Figure BDA0002607537260000045
平面弯曲梁横截面上正应力的计算公式为：
Figure BDA0002607537260000046
式中M为梁截面上的弯矩，y为所求应力点的纵坐标。
梁截面上剪切应力计算公式为：
Figure BDA0002607537260000051
式中N为梁截面上的剪力，
Figure BDA0002607537260000052
为梁截面中性轴以上部分(或中性轴以下部分)面积对Z轴的静矩，t为梁截面腹板厚度。
根据上述公式可以推导得到在设计夹层结构时，其等效工字梁结构的剖面模数、剪切面积、剖面惯性矩应满足的最小值公式如下：
剖面模数：
Figure BDA0002607537260000053
剖面惯性矩：
Figure BDA0002607537260000054
剖面剪切面积：
Figure BDA0002607537260000055
式中，[σ3]为工字梁弯曲许用应力，[τ3]为工字梁剪切许用应力，[fδ]为许用挠度系数，一般取0.0015。
(3)轮印载荷作用下芯层腹板稳定性校核方法。在轮印载荷作用下，芯层腹板(即工字梁腹板)的四周承受一定的剪应力作用，沿着高度方向还有线性分布的弯曲正应力作用，见图4。其中，h为芯层腹板的高度，h1为上翼板至中和轴的距离，h2为下翼板至中和轴的距离；σ为腹板边缘处最大正应力，τ为腹板中和轴处的剪应力。
单独承受剪应力作用的板的临界欧拉应力为：
Figure BDA0002607537260000056
单独承受非均匀线性分布正应力作用板的临界欧拉应力为：
Figure BDA0002607537260000057
根据Π.Φ.伯泼考维奇凸定理，可以推导得到同时承受σ和τ作用的板的稳定性校核公式如下：
Figure BDA0002607537260000061
其中β为工字梁腹板上拉应力与压应力绝对值之比。
由于上铺板的板厚始终是大于或等于下铺板的板厚，所以我们可以得到β值的取值范围为0＜β≤1。所以根据以上稳定性校核公式，我们可以推导出在设计夹层结构时，芯层腹板的高度与厚度之比的最大值应满足如下公式：
Figure BDA0002607537260000062
式中，[σ]为芯层腹板弯曲许用应力，[τ]为芯层腹板剪切许用应力。
(4)轴向受压载荷作用下芯层腹板稳定性校核方法。等效夹层工字梁承受面内轴向压缩载荷时临界欧拉应力理论计算公式如下：
Figure BDA0002607537260000063
式中，
I – 夹层等效工字梁剖面惯性矩，mm<sup>4</sup>；
E – 材料弹性模量，取2.06E5 MPa；
S – 等效工字梁剖面面积，mm<sup>2</sup>；
l – 等效工字梁跨距，mm。
当夹层等效工字梁承受面内轴向力Tz时，工字梁的轴向应力为σz＝Tz/S，其受轴向压力σz时的稳定性校核公式如下：
Figure BDA0002607537260000064
式中，ω为屈曲安全系数，对于骨材一般取值为1.1。
根据上述一系列尺寸确定公式，可以形成一套关于I型夹层结构在轮印载荷作用下的结构设计方法，以指导船体结构设计，其流程图见图5。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种轮印载荷作用下的I型夹层结构设计方法，其特征在于，
步骤一：确定芯层间距；
步骤二：根据芯层间距和上铺板最小厚度公式
Figure FDA0003245236210000011
确定上铺板的最小板厚t1，其中，p为轮印载荷压力，b为芯层腹板间距，σ4为板的许用应力，k的取值见下表：
A/b 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 … 2.0 … ∞ k 0.0332 0.0356 0.0374 0.0388 0.0399 0.0406 - 0.0421 - 0.0417
表中，A为板格长边长度，b为板格短边长度；
步骤三：根据上铺板的厚度确定下铺板的厚度；
步骤四：根据船体甲板承载类型确定芯层腹板高度；
步骤五：根据芯层腹板弯曲、剪切稳定性要求公式
Figure FDA0003245236210000012
确定芯层腹板厚度t2，其中，h为芯层腹板的高度，σ为腹板边缘处最大正应力，τ为腹板中和轴处的剪应力；
步骤六：最后验证夹层结构的最小剖面模数
Figure FDA0003245236210000013
最小惯性矩
Figure FDA0003245236210000014
最小剪切面积
Figure FDA0003245236210000015
及轴向受压稳定性
Figure FDA0003245236210000016
是否符合标准，如果不符合其中任一要求，需重返步骤一至步骤五进行结构设计，最终需满足最小剖面模数、最小惯性矩、最小剪切面积及轴向受压稳定性要求，其中，q表示轮印面载荷作用形式等效为线载荷，m为轮印作用区域长边长度的1/2，l为强构件之间的距离，E为材料弹性模量，[σ3]为工字梁弯曲许用应力，[τ3]为工字梁剪切许用应力，[fδ]为许用挠度系数，σe为等效夹层工字梁承受面内轴向压缩载荷时临界欧拉应力，σz为轴向压力，ω为屈曲安全系数。
2.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤一中芯层间距一般采用80mm-200mm。
3.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤二中上铺板的厚度不少于3mm。
4.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤三中下铺板的厚度为上铺板的一半，且不能小于3mm。
5.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤四中芯层腹板的高度一般跟甲板承载类型有关，对于飞机，芯层腹板高度一般为200mm-300mm，对于车辆，芯层腹板高度一般为160mm-250mm。
6.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤五中芯层腹板的厚度是一般介于上铺板厚度与下铺板厚度之间，且不能小于3mm。
7.如权利要求1所述的一种I型夹层结构设计方法，其特征在于，所述的步骤六中需要将夹层结构等效模拟成工字架然后根据公式验证各个性能。
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