CN112407181B - 大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法 - Google Patents

大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，确定实验模型‑建立有限元模型并在有波浪加载下和无波浪加载下进行有限元模型崩溃实验并记录崩溃加载值‑根据有限元模型的加载值对实验模型进行崩溃实验。本实验方法在波浪水池中开展大开口船体结构模型波浪中结构崩溃实验，能够直观地呈现船体在波浪下的结构响应情况，更真实的模拟船体在波浪中的崩溃过程，从而得到船体大开口结构在波浪中所受外载荷情况及结构崩溃过程并得到船体结构在实际情况下的极限弯矩。

Description

大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法
技术领域
本发明涉及船体结构崩溃实验技术领域，具体涉及一种大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法。
背景技术
随着全球经济的迅猛发展，水路运输凭借其优越的经济性，在国际贸易、国内地区间贸易中扮演着极为重要的角色。对于广泛应用的集装箱船，船体甲板大开口，导致结构整体的扭转刚度较低，需要对船体结构强度尤其是扭转强度进行深入细致的研究以保证船体结构安全可靠。极限海况下船体结构所受外载荷和结构极限承载能力是评估船体结构安全可靠的两个重要方面，若船体外载荷超过其极限承载能力，船体结构将会发生崩溃破坏，导致海难事故。
传统的研究船体结构安全性的方法，是将载荷与结构分别计算，不考虑二者的相互作用，在准静态实验环境下进行模型实验，然而在实际情况中，船体结构崩溃的发生是分布的压力或力作用于船体上造成局部变形过大而导致的。在自然界中，作用于船体上的只有力或压力，而不存在所谓的转角；通过施加强制转角来得到相应的弯矩，这样的方法不能恰当的反映船体结构崩溃发生的过程。也就是说目前通过施加强制转角或强制位移的实验方法得到的弯矩和曲率的关系曲线并不能准确评估波浪中船体结构的极限强度。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，能够直观地呈现船体在波浪下的结构响应情况，更真实的模拟船体在波浪中的崩溃过程。
为实现上述目的，本发明所设计的大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，具体过程如下：
1)根据实际大开口船的结构形式，确定实验模型为三段式大开口模型，三段式大开口模型包括中间的大开口实验段、尾部的尾部延伸段和首部的首部延伸段，且尾部延伸段的尾端开设有用于放置固定载荷的尾部加载腔，首部延伸段的首端开设有用于放置固定载荷的首部加载腔，且尾部加载腔和首部加载腔的结构一致；
2)建立实验模型的有限元模型，在不考虑波浪作用时，通过对有限元模型两端逐步增加弯矩直至有限元模型崩溃，进行数次计算后得到有限元模型在准静态下崩溃时两端的加载值，从而确定进行四点弯曲船体结构静力实验时实验模型的工况；
3)在有限元模型的湿表面上施加波浪载荷以及在首尾加载端施加弯矩，逐步增加施加弯矩值的大小直至有限元模型结构达到崩溃，记录此时在有限元模型上施加的弯矩值MFEM，得到后续实验模型实验中在尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量；
4)通过实验模型四点弯曲实验，获得大开口实验段在不考虑水压力作用时的静力极限弯矩M静；其中，在实验模型大开口舱段的横舱壁两侧各设置一个固定支座，在艏艉舱段的尾部加载腔和首部加载腔放置相同质量的铁块以施加载荷，四点相互配合形成弯矩使实验模型弯曲直至崩溃；
5)根据步骤3)中有限元模型施加波浪载荷时尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量，进行波浪中实验模型结构崩溃实验直至实验模型崩溃。
进一步地，所述步骤3)中，首先，确定施加在有限元模型上的波浪载荷的波浪参数，使用HYDROSTAR流体力学软件计算有限元模型湿表面在波浪中运动时遭受的波浪载荷，再将波浪载荷及惯性力转化为节点力，将节点力加到ABAQUS中的实验模型上模拟船舶同时遭受波浪载荷和尾首加载弯矩的情况进行非线性有限元计算。
进一步地，所述步骤4)中，船体四点弯曲极限强度实验的测量系统包括倾角仪、百分表、应变片及静态应变仪。倾角仪用于记录实验模型在崩溃过程中的舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置；百分表用于测量船舯剖面在崩溃过程中的剖面变形，在大开口舱段中横剖面位置以200～300mm为间距沿船宽方向等距布置；应变片测量端等距布置于船舯剖面内侧，应变片传输信号端通过网线与静态应变仪相连采集数据。
进一步地，所述步骤4)中，具体过程为：根据步骤2)中有限元模型计算结果，不考虑波浪作用时，两端各放置与准静态加载值相同的固定压载使实验模型达到极限状态；实验模型首尾加载腔的固定加载采用分段式加压的方式从0kg逐步增加到550kg：单端的固定加载质量在0～500kg范围内时，每次增加100kg；在500kg～530kg 范围内时，每次增加10kg；在530kg～550kg范围时，每次增加5kg，直至发生崩溃；记录每次增加固定加载后百分表、应变仪及倾角仪的读数。
进一步地，所述步骤5)中，由于进行四点弯曲实验后实验模型中间大开口实验段发生了不可逆的塑性变形，因此，更换之间大开口实验段，继而进行波浪中实验模型结构崩溃实验。
进一步地，所述步骤5)中，波浪中实验模型结构崩溃实验的测量系统包括加速度测量仪、倾角仪、水压力传感器、摄像机、动态应变仪及应变片；加速度测量仪和倾角仪分别用于记录实验模型在崩溃过程中的实时加速度和舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置。水压力传感器用于测量船底典型测点处的水压力状况，布置于船底纵骨与横向强框架相交的典型测点处；摄像机用于拍摄大开口舱结构变形；应变片与动态应变仪相连，用于测量船体在崩溃过程中的结构应变情况，且应变片测量端等距布置于船舯剖面内侧。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本实验方法在波浪水池中开展大开口船体结构模型波浪中结构崩溃实验，能够直观地呈现船体在波浪下的结构响应情况，更真实的模拟船体在波浪中的崩溃过程，从而得到船体大开口结构在波浪中所受外载荷情况及结构崩溃过程并得到船体结构在实际情况下的极限弯矩。
附图说明
图1为实验模型四点弯曲静态布置图；
图2为波浪中实验模型结构崩溃实验的动态测量系统布置图；
图3为模型实验与数值计算的船体极限剖面弯矩对比曲线图。
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的详细说明。
实施例
1)根据实际大开口船的结构形式，确定实验模型为三段式大开口模型，实验模型材料为铝合金，其屈服极限为40MPa。
其中，三段式大开口模型包括中间的大开口实验段、尾部的尾部延伸段和首部的首部延伸段，且尾部延伸段的尾端开设有用于放置固定载荷的尾部加载腔，同理，首部延伸段的首端开设有用于放置固定载荷的首部加载腔，且尾部加载腔和首部加载腔的结构一致。
2)建立实验模型的有限元模型，在不考虑波浪作用时，通过对有限元模型两端逐步增加弯矩直至有限元模型崩溃，进行数次计算后得到两端压载均为550kg左右时船体会达到极限状态，从而确定进行四点弯曲船体结构静力实验时实验模型的工况。
3)在有限元模型的湿表面上施加波浪载荷以及在首尾加载端施加弯矩，逐步增加施加弯矩值的大小直至有限元模型结构达到崩溃，记录此时在有限元模型上施加的弯矩值MFEM，以用于估算后续实验模型实验中在尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量。
具体过程为：首先，确定施加在有限元模型上的波浪载荷的波浪参数，应尽量使实验模型在有限的波高下受到较大的波浪弯矩，以此为原则确定波浪参数为波长6.75m、波高0.13m、周期2s。使用 HYDROSTAR流体力学软件计算有限元模型湿表面在波浪中运动时遭受的波浪载荷，再将波浪载荷及惯性力转化为节点力，将节点力加到ABAQUS中的实验模型上模拟船舶同时遭受波浪载荷和尾首加载弯矩的情况进行非线性有限元计算，得到两端压载均为280kg左右时船体会达到极限状态，从而确定进行波浪下船体结构崩溃实验时船模的工况。
4)通过实验模型四点弯曲实验，获得大开口实验段在不考虑水压力作用时的静力极限强度M静，静态安装设备如图1所示，在实验模型大开口舱段的横舱壁两侧各设置一个固定支座2，在艏艉舱段的尾部加载腔和首部加载腔放置相同质量的铁块以施加载荷，四点相互配合形成弯矩使实验模型弯曲直至崩溃。
船体四点弯曲极限强度实验的静态测量系统包括倾角仪3、百分表1、应变片及静态应变仪。倾角仪用于记录实验模型在崩溃过程中的舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置；百分表用于测量船舯剖面在崩溃过程中的剖面变形，在大开口舱段中横剖面位置以250mm为间距沿船宽方向等距布置；应变片测量端在互不干扰的原则下尽可能多的等距布置于船舯剖面内侧，传输信号端通过网线与静态应变仪相连采集数据。
根据步骤2)中有限元模型计算结果，不考虑波浪作用时，两端各放置约550kg的固定压载使实验模型达到极限状态。为保证实验的准确性，实验模型首尾加载腔的固定加载采用分段式加压的方式从0kg逐步增加到550kg：单端的固定加载质量在0～500kg范围内时，每次增加100kg；在500kg～530kg范围内时，每次增加10kg；在 530kg～550kg范围时，每次增加5kg，直至发生崩溃。记录每次增加固定加载后百分表、应变仪及倾角仪的读数。对实验数据进行分析，重点分析大开口舱段正中剖面在垂向弯矩作用下的崩溃行为及极限强度。
5)根据步骤3)中有限元模型施加波浪载荷时尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量，进行进行波浪中实验模型结构崩溃实验直至实验模型崩溃。经过数次有限元计算，最终确定在两端各施加 280kg固定压载，波浪参数为波长6750mm、波高达130mm时实验模型将发生崩溃。由于进行四点弯曲实验后实验模型中间大开口实验段发生了不可逆的塑性变形，因此，更换之间大开口实验段，继而进行波浪中实验模型结构崩溃实验。
其中，如图2所示，波浪中实验模型结构崩溃实验的动态测量系统包括加速度测量仪4、倾角仪、水压力传感器5、摄像机、动态应变仪及应变片6。加速度测量仪和倾角仪分别用于记录实验模型在崩溃过程中的实时加速度和舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置。水压力传感器用于测量船底典型测点处的水压力状况，布置于船底纵骨与横向强框架相交的典型测点处。摄像机用于拍摄大开口舱结构变形，由实验人员在循环水槽旁、与大开口舱段中横剖面位置等高处进行拍摄。应变片与动态应变仪相连，用于测量船体在崩溃过程中的结构应变情况。应变片测量端在互不干扰的原则下尽可能多的等距布置于船舯剖面内侧。
为了体现实验模型逐次崩溃的过程，在进行实验工况设计时，要逐步增加实验模型受到的外载荷，因此，进行三个静水工况和三个波浪工况的实验，试验工况如表1所示。
表1实验工况表
Figure BDA0002770247330000061
S-40、S-80、S-120是指将船模放入静水中不施加波浪载荷作用的情况下，艏艉段内分别放入40kg、80kg、120kg的固定压载的工况，T-200、T-240、T-280是指将船模放入波长6750mm、波高130mm、周期2s的波浪中，艏艉段内分别放入200kg、240kg、280kg的固定压载的工况。
首先进行S-40静水工况实验。在艏艉舱段内靠近端部的位置均匀的摆放40kg的固定压载，测量记录S-40静水工况下船体的吃水、各测点的应变值、舱段转角、船体整体变形状况。改变艏艉段内固定压载的质量，重复上述实验步骤，依次进行S-80、S-120静水工况的实验。
在完成静水工况的实验后，将船体两端压载重量增加至T-200 波浪工况下的指定压载值，随后在造波机内输入波浪参数开始造波，测量记录T-200波浪工况下的艏艉吃水、船体加速度及舱段转角、船底水压力值、各测点的应变值及船体整体变形状况。改变艏艉段内固定压载的质量，重复上述实验步骤，依次进行T-240、T-280波浪工况的实验。
对实验仪器采集获得的数据进行后处理分析。通过应变片测量得到的数据是该测点处的应变值，数据乘以弹性模量后便可得到该点处的纵向应力值大小，将各剖面位置各构件的纵向应力积分即可得到纵向内力，纵向内力沿剖面中和轴积分可得到剖面垂向弯矩M波浪。随着波峰由船艏向船舯运动，船模结构正中剖面受到的垂向弯矩逐渐增大，当波峰接近船舯时，实验船模所受到的垂向弯矩大于其结构耐力，模型达到极限状态。实验得到的大开口段中部极限弯矩如图3所示，图中转角为大开口舱横舱壁处绕船宽方向的转角，实验中通过倾角仪测量得到。
未考虑初始变形和焊接残余应力影响时，通过非线性有限元计算得到船体模型极限状态时的中部弯矩值MFEM为4.45×106N·mm，较波浪实验中M波浪的计算值4.24×106N·mm偏大4.72％。通过四点弯曲实验获得的大开口结构静力极限弯矩M静的值为6.4×106N·mm，对于本实验模型，波浪中船体崩溃时的极限剖面弯矩M波浪相比传统的通过四点弯曲获得的船体极限剖面弯矩M静降低了30％。此结果说明外部水压力的作用加剧了船底板和舷侧结构的面外变形，使结构更早的发生屈服，从而降低结构的极限强度。因此，传统的通过施加强制转角的方式得到的极限弯矩并不能准确代表船体结构实际的承载能力，为使船体结构在实际航行中安全可靠，极限强度计算时必须计入水压力的作用。
传统的船体崩溃行为及极限强度实验是在准静态实验环境下进行模型实验，使用液压机或其他机器对船舶模型施加外部载荷，模拟船舶承受载荷直至结构崩溃的过程。本实验方法在波浪水池中开展大开口船体结构模型波浪中结构崩溃实验，能够直观地呈现船体在波浪下的结构响应情况，更真实的模拟船体在波浪中的崩溃过程，从而得到船体大开口结构在波浪中所受外载荷情况及结构崩溃过程并得到船体结构在实际情况下的极限弯矩。

Claims (5)

1.一种大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，其特征在于：具体过程如下：
1)根据实际大开口船的结构形式，确定实验模型为三段式大开口模型，三段式大开口模型包括中间的大开口实验段、尾部的尾部延伸段和首部的首部延伸段，且尾部延伸段的尾端开设有用于放置固定载荷的尾部加载腔，首部延伸段的首端开设有用于放置固定载荷的首部加载腔，且尾部加载腔和首部加载腔的结构一致；
2)建立实验模型的有限元模型，在不考虑波浪作用时，通过对有限元模型两端逐步增加弯矩直至有限元模型崩溃，进行数次计算后得到有限元模型在准静态下崩溃时两端的加载值，从而确定进行四点弯曲船体结构静力实验时实验模型的工况；
3)在有限元模型的湿表面上施加波浪载荷以及在首尾加载端施加弯矩，逐步增加施加弯矩值的大小直至有限元模型结构达到崩溃，记录此时在有限元模型上施加的弯矩值MFEM，得到后续实验模型实验中在尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量；
所述步骤3)中，首先，确定施加在有限元模型上的波浪载荷的波浪参数，使用HYDROSTAR流体力学软件计算有限元模型湿表面在波浪中运动时遭受的波浪载荷，再将波浪载荷及惯性力转化为节点力，将节点力加到ABAQUS中的实验模型上模拟船舶同时遭受波浪载荷和尾首加载弯矩的情况进行非线性有限元计算；
4)通过实验模型四点弯曲实验，获得大开口实验段在不考虑水压力作用时的静力极限弯矩M静；其中，在实验模型大开口舱段的横舱壁两侧各设置一个固定支座，在艏艉舱段的尾部加载腔和首部加载腔放置相同质量的铁块以施加载荷，四点相互配合形成弯矩使实验模型弯曲直至崩溃；
5)根据步骤3)中有限元模型施加波浪载荷时尾部加载腔和首部加载腔放置的加载量，进行波浪中实验模型结构崩溃实验直至实验模型崩溃。
2.根据权利要求1所述大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，其特征在于：所述步骤4)中，船体四点弯曲极限强度实验的测量系统包括倾角仪、百分表、应变片及静态应变仪；倾角仪用于记录实验模型在崩溃过程中的舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置；百分表用于测量船舯剖面在崩溃过程中的剖面变形，在大开口舱段中横剖面位置以200～300mm为间距沿船宽方向等距布置；应变片测量端等距布置于船舯剖面内侧，应变片传输信号端通过网线与静态应变仪相连采集数据。
3.根据权利要求1所述大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，其特征在于：所述步骤4)中，具体过程为：根据步骤2)中有限元模型计算结果，不考虑波浪作用时，两端各放置与准静态加载值相同的固定压载使实验模型达到极限状态；实验模型首尾加载腔的固定加载采用分段式加压的方式从0kg逐步增加到550kg：单端的固定加载质量在0～500kg范围内时，每次增加100kg；在500kg～530kg范围内时，每次增加10kg；在530kg～550kg范围时，每次增加5kg，直至发生崩溃；记录每次增加固定加载后百分表、应变仪及倾角仪的读数。
4.根据权利要求1所述大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，其特征在于：所述步骤5)中，由于进行四点弯曲实验后实验模型中间大开口实验段发生了不可逆的塑性变形，因此，更换中间大开口实验段，继而进行波浪中实验模型结构崩溃实验。
5.根据权利要求1所述大开口船体结构模型逐次崩溃实验方法，其特征在于：所述步骤5)中，波浪中实验模型结构崩溃实验的测量系统包括加速度测量仪、倾角仪、水压力传感器、摄像机、动态应变仪及应变片；加速度测量仪和倾角仪分别用于记录实验模型在崩溃过程中的实时加速度和舱段转角，布置于大开口舱段前后舱壁的对称位置；水压力传感器用于测量船底典型测点处的水压力状况，布置于船底纵骨与横向强框架相交的典型测点处；摄像机用于拍摄大开口舱结构变形；应变片与动态应变仪相连，用于测量船体在崩溃过程中的结构应变情况，且应变片测量端等距布置于船舯剖面内侧。
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