CN112329146B - 一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法 - Google Patents

一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，属于船舶结构设计技术领域。本发明在甲板板格尺寸、材料力学特性、轮印载荷大小与尺寸等相关参数信息确定下，利用有限元软件分别计算得到不同位置处多轮印载荷和满铺均布载荷作用下甲板板格的塑性变形值，利用板格等价变形媒介参数，得到多轮印载荷与满铺均布载荷之间的对应关系，从而得到多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子计算公式。有效解决不同轮印载荷及尺寸下、不同板格尺寸下的甲板多轮印载荷等效问题；本发明设计方法完整、适用，可以结合甲板的实际情况进行计算，易于实现。

Description

一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效 方法
技术领域
本发明涉及一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，属于船舶结构设计技术领域。
背景技术
现代舰船甲板遭受轮印载荷作用的情况越来越多，例如，直升机甲板遭受直升机轮印载荷作用，车辆甲板遭受重载车辆轮印载荷等。在甲板使用寿命期间，轮印载荷可能作用在甲板板格不同位置上，由此甲板板格会产生累积的塑性变形，这将会严重影响甲板的工作性能和安全性能。因此，不同位置处多轮印载荷作用下甲板板格的塑性变形计算方法研究显得至关重要。
由于甲板遭受轮印载荷的大小和位置都是随机的，而且是反复多次的，极大增加了轮印载荷作用下甲板板格塑性变形计算问题的困难性和复杂性。目前针对不同位置处多轮印载荷作用下甲板板格塑性变形的计算方法比较缺乏，提出多次轮印载荷与满铺均布载荷等效方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为解决针对不同位置处多轮印载荷作用下甲板板格塑性变形的计算方法技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，包括以下步骤：
步骤1：确定甲板板格尺寸、材料力学特性和轮印载荷大小的相关参数信息，利用有限元软件计算出板格上不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值大小，并进行转换得到板格的等价变形媒介值；
步骤2：利用有限元软件计算出对应的相同甲板板格尺寸下一系列满铺均布载荷下的板格永久变形值，并转换为板格的等价变形媒介值，从而得到满铺均布载荷与板格的等价变形媒介值之间的关系曲线；
步骤3：根据多次轮印载荷作用下得到的等价变形媒介参数值，从满铺均布载荷与板格等价变形媒介值之间的关系曲线中插值确定等效满铺均布载荷值；
步骤4：根据多次轮印载荷和等效满铺均布载荷参数之间的对应关系，得到多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子，从而给出多次轮印载荷与满铺载荷等效方法。
优选地，所述步骤1、步骤2和步骤3中板格等价变形媒介可以描述为式(1)：
Figure BDA0002762751450000021
式中
Figure BDA0002762751450000025
表示为板格等价媒介变形值，β表示为板格的柔度系数，wp表示为板格塑性变形值，单位mm，t表示板厚，单位mm。/>
优选地，所述步骤1中轮印载荷可以描述为式(2)：
Figure BDA0002762751450000022
式中Qp表示无量纲轮印载荷参数，P表示为轮印集中力，单位N，E表示为甲板板格材料的杨氏模量，单位MPa，s表示为甲板纵骨间距，单位mm，σy表示为甲板板格材料的屈服强度，单位MPa。
优选地，所述步骤1中对确定尺寸、材料的甲板板格，建立双线性材料参数单板模型，施加四周刚性固定的边界条件。采用ABAQUS商业软件，在轮印区域施加局部均布载荷，在进行不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值计算时，采用多载荷步计算分析。
优选地，所述步骤2中满铺均布载荷可以描述为式(3)：
Figure BDA0002762751450000023
式中Qe表示无量纲满铺均布载荷参数，其中Pe表示为满铺均布载荷，单位MPa。
优选地，所述步骤2中甲板板格与步骤1中甲板板格计算模型相同，在整个甲板板格内施加满铺均布载荷，对满铺均布载荷作用下甲板板格塑性变形值进行计算。
优选地，所述步骤4中多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子可以描述为式(4)：
Figure BDA0002762751450000024
式中r表示为多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子，λ表示为载荷集中参数，α表示甲板板格的长宽比。
优选地，所述步骤4中的载荷集中参数λ可以描述为式(5)：
Figure BDA0002762751450000031
式中a表示轮印长度，单位mm，b表示轮印宽度，单位mm。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种基于甲板塑性变形关系下多次轮印载荷与满铺均布载荷等效方法，能有效解决不同轮印尺寸下、不同轮印载荷作用位置下以及不同甲板板格尺寸的轮印载荷等效问题。
本发明在甲板板格尺寸、材料力学特性、轮印载荷大小与尺寸等相关参数信息确定下，利用有限元软件分别计算得到不同位置处多轮印载荷和满铺均布载荷作用下甲板板格的塑性变形值，利用板格等价变形媒介参数，得到多轮印载荷与满铺均布载荷之间的对应关系，从而得到多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子计算公式。它能有效解决不同轮印载荷及尺寸下、不同板格尺寸下的甲板多轮印载荷等效问题，根据基于甲板塑性变形关系下多次轮印载荷与满铺均布载荷等效方法，可以计算出多轮印载荷所对应的满铺均布载荷，并解决了不同位置处多轮印载荷作用下甲板板格的塑性变形计算问题，简单方便，准确高效。本发明所提供的设计方法完整、适用，可以结合甲板的实际情况进行计算，易于实现。
附图说明
图1为单个位置集中载荷的几何特征图
图2为甲板板格双线性材料模型
图3为l/s＝2下集中载荷Qp、均布载荷Qe与等价变形媒介参数
Figure BDA0002762751450000032
关系图。
图4为l/s＝3.428下等效因子r与1/β的关系图
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：如图1-4所示，本发明提供一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，包括以下步骤：
步骤1：确定甲板板格尺寸、材料力学特性和轮印载荷大小的相关参数信息，利用有限元软件计算出板格上不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值大小，并进行转换得到板格的等价变形媒介值；
步骤2：利用有限元软件计算出对应的相同甲板板格尺寸下一系列满铺均布载荷下的板格永久变形值，并转换为板格的等价变形媒介值，从而得到满铺均布载荷与板格的等价变形媒介值之间的关系曲线；
步骤3：根据多次轮印载荷作用下得到的等价变形媒介参数值，从满铺均布载荷与板格等价变形媒介值之间的关系曲线中插值确定等效满铺均布载荷值；
步骤4：根据多次轮印载荷和等效满铺均布载荷参数之间的对应关系，得到多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子，从而给出多次轮印载荷与满铺载荷等效方法。
所述步骤1、步骤2和步骤3中板格等价变形媒介可以描述为式(1)：
Figure BDA0002762751450000041
式中
Figure BDA0002762751450000044
表示为板格等价媒介变形值，β表示为板格的柔度系数，wp表示为板格塑性变形值，单位mm，t表示板厚，单位mm。
所述步骤1中轮印载荷可以描述为式(2)：
Figure BDA0002762751450000042
式中Qp表示无量纲轮印载荷参数，P表示为轮印集中力，单位N，E表示为甲板板格材料的杨氏模量，单位MPa，s表示为甲板纵骨间距，单位mm，σy表示为甲板板格材料的屈服强度，单位MPa。
所述步骤1中对确定尺寸、材料的甲板板格，建立双线性材料参数单板模型，施加四周刚性固定的边界条件。采用ABAQUS商业软件，在轮印区域施加局部均布载荷，在进行不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值计算时，采用多载荷步计算分析。
所述步骤2中满铺均布载荷可以描述为式(3)：
Figure BDA0002762751450000043
式中Qe表示无量纲满铺均布载荷参数，其中Pe表示为满铺均布载荷，单位MPa。
优选地，所述步骤2中甲板板格与步骤1中甲板板格计算模型相同，在整个甲板板格内施加满铺均布载荷，对满铺均布载荷作用下甲板板格塑性变形值进行计算。
所述步骤4中多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子可以描述为式(4)：
Figure BDA0002762751450000051
式中r表示为多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子，λ表示为载荷集中参数，α表示甲板板格的长宽比。
所述步骤4中的载荷集中参数λ可以描述为式(5)：
Figure BDA0002762751450000052
式中a表示轮印长度，单位mm，b表示轮印宽度，单位mm。
为了进一步说明上述基于甲板塑性变形关系下多次轮印载荷与满铺均布载荷等效方法，上述步骤1中的所包含甲板板格、轮印载荷等信息的计算模型如图1所示，图1中l表示甲板板格长度，s表示甲板板格宽度或者甲板纵骨间距，a和b分别表示轮印长度和轮印宽度，其中轮印载荷位置可在板格任意位置上出现，此外，甲板板格材料模型如图2所示，选定材料的相关具体力学参数如表1所示。
表1
Figure BDA0002762751450000053
所述步骤1中在确定甲板板格尺寸、材料力学特性和轮印载荷大小的相关参数信息之后，需利用有限元软件计算出不同板格尺寸、不同轮印尺寸以及不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值，图3中给出了特定板格长宽比l/s＝2和特定板厚t＝14mm下不同轮印尺寸以及不同板格等价变形媒介值下所对应的无量纲轮印载荷Qp值。
上述的步骤1、步骤2和步骤3中板格等效变形媒介参数
Figure BDA0002762751450000055
与板格的柔度系数β的平方成反比，其中板格的柔度系数β可描述为式(6)：
Figure BDA0002762751450000054
式中t表示甲板板厚。
上述的步骤2在确定甲板板格尺寸、材料力学特性等相关参数信息之后，需利用有限元软件计算出不同板格尺寸、不同轮印尺寸以及不同满铺均布载荷作用下甲板板格塑性变形值，图3给出了特定板格长宽比l/s＝2和特定板厚t＝14mm下不同板格等价变形媒介值下所对应的无量纲轮印载荷Qe值。
所述的步骤3在板格等效变形媒介参数
Figure BDA0002762751450000061
确定下，可以从满铺均布载荷与板格等价变形媒介值之间的关系曲线中插值确定多轮印载荷Qe所对应的等效满铺均布载荷Qp值，图3给出了特定板格长宽比l/s＝2和特定板厚t＝14mm下相同板格等效变形媒介参数下多轮印载荷Qe与等效满铺均布载荷Qp值。
所述的步骤4中的相同板格等效变形媒介参数
Figure BDA0002762751450000062
下多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子r可以描述为式(7)：
r＝Qe/QP 式(7)
根据步骤3中的多次轮印载荷和等效满铺均布载荷参数之间的对应关系，可以计算多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子r。图4给出了特定板格长宽比l/s＝3.428下的两种载荷集中参数λ下的多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子r与板格的柔度系数β之间的关系，可以发现，r与1/β成正比关系，为此，通过计算不同板格尺寸和不同轮印尺寸下等效比例因子r与板格的柔度系数β之间的关系，可以拟合得到等效比例因子r的计算公式，如式(4)所示。式(4)中的板格长宽比参数α可以描述为式(8)：
α＝l/s 式(8)。
综上所述，本发明在甲板板格尺寸、材料力学特性、轮印载荷大小与尺寸等相关参数信息确定下，利用有限元软件分别计算得到不同位置处多轮印载荷和满铺均布载荷作用下甲板板格的塑性变形值，利用板格等价变形媒介参数，得到多轮印载荷与满铺均布载荷之间的对应关系，从而得到多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子计算公式。它能有效解决不同轮印载荷及尺寸下、不同板格尺寸下的甲板多轮印载荷等效问题，根据基于甲板塑性变形关系下多次轮印载荷与满铺均布载荷等效方法，可以计算出多轮印载荷所对应的满铺均布载荷，并解决了不同位置处多轮印载荷作用下甲板板格的塑性变形计算问题，简单方便，准确高效。本发明所提供的设计方法完整、适用，可以结合甲板的实际情况进行计算，易于实现。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：确定甲板板格尺寸、材料力学特性和轮印载荷大小的相关参数信息，利用有限元软件计算出板格上不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值大小，并进行转换得到板格的等价变形媒介值；
板格等价变形媒介可以描述为式(1)：
Figure FDA0003976989670000011
式中
Figure FDA0003976989670000012
表示为板格等价媒介变形值，β表示为板格的柔度系数，wp表示为板格塑性变形值，单位mm，t表示板厚，单位mm；
轮印载荷可以描述为式(2)：
Figure FDA0003976989670000013
式中Qp表示无量纲轮印载荷参数，P表示为轮印集中力，单位N，E表示为甲板板格材料的杨氏模量，单位MPa，s表示为甲板纵骨间距，单位mm，σy表示为甲板板格材料的屈服强度，单位MPa；
步骤2：利用有限元软件计算出对应的相同甲板板格尺寸下一系列满铺均布载荷下的板格永久变形值，并转换为板格的等价变形媒介值，从而得到满铺均布载荷与板格的等价变形媒介值之间的关系曲线；
满铺均布载荷可以描述为式(3)：
Figure FDA0003976989670000014
式中Qe表示无量纲满铺均布载荷参数，其中Pe表示为满铺均布载荷，单位MPa；
步骤3：根据多次轮印载荷作用下得到的等价变形媒介参数值，从满铺均布载荷与板格等价变形媒介值之间的关系曲线中插值确定等效满铺均布载荷值；
步骤4：根据多次轮印载荷和等效满铺均布载荷参数之间的对应关系，得到多次轮印载荷与满铺载荷之间的等效比例因子，从而给出多次轮印载荷与满铺载荷等效方法；
多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子可以描述为式(4)：
Figure FDA0003976989670000021
式中r表示为多次轮印载荷与满铺均布载荷之间的等效比例因子，λ表示为载荷集中参数，α表示甲板板格的长宽比；
载荷集中参数λ可以描述为式(5)：
Figure FDA0003976989670000022
式中a表示轮印长度，单位mm，b表示轮印宽度，单位mm。
2.如权利要求1所述的一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，其特征在于：所述步骤1中对确定尺寸、材料的甲板板格，建立双线性材料参数单板模型，施加四周刚性固定的边界条件；采用ABAQUS商业软件，在轮印区域施加局部均布载荷，在进行不同位置处多次轮印载荷作用下甲板板格塑性变形值计算时，采用多载荷步计算分析。
3.如权利要求1所述的一种基于甲板塑性变形关系下多轮印载荷与满铺载荷等效方法，其特征在于：所述步骤2中甲板板格与步骤1中甲板板格计算模型相同，在整个甲板板格内施加满铺均布载荷，对满铺均布载荷作用下甲板板格塑性变形值进行计算。
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