CN114756962B - 船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，包括以下步骤：S1、选定实际船舶加筋板结构设计原型；S2、以单一纵桁或纵骨为单位，将加筋板结构原型划分为若干加筋设计单元，S3、针对第一个加筋设计单元原型，对所述加筋设计单元在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；S4、将所述步骤S3中的缩比模型转化屈服强度与更大缩比模型，记为第一阶段缩比模型；S5、以第二同一缩放比例σ₂对所述第一阶段缩比模型缩放；S6、得到第二阶段缩比模型；S7、重复S3‑S6，得到第二阶段缩比模型；S8、合并第二阶段缩比模型，得到缩比模型。本发明能够灵活调整加筋板缩比模型上每一种加筋的截面尺寸，使其更便于进行焊接加工，具有较强的工程应用价值。

Description

船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法

技术领域

本发明涉及试验设计技术领域，更具体地说，涉及一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法。

背景技术

加筋板结构是组成船舶甲板以及船底板的基本承力单元，其自身的承载能力是衡量船体结构总纵强度的重要指标。如何预报和评估实际船舶加筋板结构的承载能力与屈曲特性，也随之成为船舶设计需要解决的关键问题之一。船舶加筋板结构的强度预报方法可大致分为理论方法，数值方法，以及试验研究方法。研究人员采用上述研究方法，对加筋板结构承载特性开展了系统而全面的研究，并已取得较好的效果。然而需要注意的是，上述研究中所涉及的加筋板结构通常为仅具有一种类型加筋且加筋数量也较少的小型加筋板模型。当研究对象变为尺寸范围更大，加筋种类和数量也更多的实际船舶加筋板结构时，由于结构复杂的几何非线性效应影响，仅采用现有的数值和理论方法将难以继续精确地分析加筋板结构的屈曲过程。对实际船舶加筋板结构这类复杂大型工程结构，试验方法仍然是预报其承载能力最为可靠的手段。

在试验研究中，结构全尺寸模型试验具备最高的测试精度，但整体加工试验成本过于昂贵，因此极少被研究人员采用。在大多数情况下，研究人员会采用某种特定的相似理论，基于预设的比例，将结构原型缩放为几何尺寸相对较小的缩比模型，在降低试验成本的同时，保证试验结果的准确性。目前船舶结构相似设计常用的相似理论主要有全相似理论，以及畸变相似理论。全相似理论要求结构在尺寸维度和板厚维度上，同时以相同的比例进行缩放，在很多情况下并不适用于加筋板这类板厚较小的薄壁结构。畸变相似理论在全相似理论基础上，允许缩比模型在尺寸维度和板厚维度上采用不同的缩放比例，但可能造成缩比模型屈曲模态的改变。此外，研究人员还基于量纲分析方法推导了若干相似准则，同样可被用于加筋板结构的相似设计研究。根据量纲理论，符合同一相似准则的结构原型与缩比模型将表现出相近的承载特性。

实际船舶加筋板结构具有尺寸范围大，加筋数量和种类多(通常为T型材或角钢)等显著特点。在采用现有相似理论或设计方法对实际船舶加筋板结构进行缩比模型设计时，会不可避免地遇到以下两个问题：(1)当模型缩放比例较大时，原尺寸较小的加筋构件会因自身尺寸过小而难以进行焊接加工；(2)由相似理论设计得到的加筋构件，并不是常见的制式型材或板材，只能通过二次加工获取。上述两个问题均会为加工模型引入更大的焊接变形量，降低实际船舶加筋板结构缩比模型的加工质量，最终影响模型试验测试精度。因此有必要提出一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，本发明提出了一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法；本设计方法能够根据不同情况，灵活调整缩比模型上每一种加筋构件的截面尺寸，能够尽量接近市面上存在的制式型材，从而提高模型加工质量和试验测试精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，包括以下步骤：

S1、选定实际船舶加筋板结构设计原型；

S2、以单一纵桁或纵骨为单位，将加筋板结构原型划分为若干加筋设计单元，记为P0(S1)，P0(S2)，···，P0(Sn)；

S3、针对第一个加筋设计单元原型P0(S1)，采用全相似理论，以第一同一缩放比例σ₁对所述加筋设计单元在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

S4、采用相似准则，将所述步骤S3中得到的缩比模型转化为具有更高材料屈服强度与更大板厚的缩比模型，记为第一阶段缩比模型P1(S1)；

S5、再次采用全相似理论，以第二同一缩放比例σ₂对所述第一阶段缩比模型P1(S1)在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

S6、采用相似准则，对所述步骤S5中得到的缩比模型的纵桁及纵骨尺寸进行调整，得到第二阶段缩比模型P2(S1)；

S7、重复步骤S3-S6，得到每一个加筋设计单元的第二阶段缩比模型P2(S2)，P2(S3)，···，P2(Sn)；

S8、合并各加筋设计单元的第二阶段缩比模型，得到完整加筋板结构的缩比模型P3(S1+S2+···+Sn)。

按上述方案，所述步骤S3中的第一同一缩放比例为：

σ₁＝t_p/t_min

式中，t_p为加筋设计单元原型面板厚度，t_min为最小板厚尺寸。

按上述方案，所述步骤S4中将加筋设计单元从一种材料屈服强度转化为另一种材料屈服强度加筋板模型的比例关系为：

转化后模型与转化前模型纵骨间距关系：b′＝b，

转化后模型与转化前模型跨距关系：a′＝aη^-1/8，

转化后模型与转化前模型面板厚度关系：t′＝tη^1/2，

转化后模型与转化前模型加筋腹板高度关系：h′_w＝h_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋腹板厚度关系：t′_w＝t_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板宽度关系：h′_f＝h_fη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板厚度关系：t′_f＝t_fη^3/8，

式中，η为转化后模型与转化前模型材料屈服强度之比：η＝σ_转化后/σ_转化前。

按上述方案，所述步骤S6中调整加筋截面尺寸前缩比模型，与调整加筋尺寸后的第二阶段缩比模型P2(S1)满足以下关系：

调整前后模型具有相同的刚度相似数：

调整前后模型具有相同的面板柔度相似数：

调整前后模型具有相同的加筋柔度相似数：

调整前后模型具有相同的面板加筋刚度比相似数：

调整前后模型具有相同的加筋剖面相似数：

调整前后模型具有相同的加筋腹板翼板惯性矩比相似数：

式中，A为加筋板模型总剖面积，σ_y为加筋板模型材料屈服强度，E为模型弹性模量，r为加筋截面惯性半径，I为加筋截面惯性矩，I_zf为T型材或角钢加筋翼板抗扭刚度。

按上述方案，所述π₄，π₅和π₆通过调整加筋构件截面尺寸使其接近制式型材。

按上述方案，所述加筋设计单元与实际船舶加筋板结构设计原型的布置形式相同。

按上述方案，所述设计方法适用于扁钢、T型材以及角钢加筋的船舶加筋板结构。

实施本发明的船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，具有以下有益效果：

1、本发明可被用于两种以上加筋类型或加筋尺寸的大型加筋板结构的缩比模型设计工作，能够得到的加筋板结构缩比模型，与其原型具有十分相近的承载特性与破坏形式，还能够根据不同情况，灵活调整缩比模型上每一种加筋构件的截面尺寸，使其尽量接近市面上存在的制式型材；

2、本发明采用这些制式型材构件进行模型加工，不仅能够降低模型加工成本，还能够避免构件的二次加工，最终提高模型加工质量和试验测试精度；

3、本发明不仅适用于扁钢、T型材和角钢等多种类加筋的大型船舶加筋板结构的缩比模型设计工作，还能根据不同情况灵活调整缩比模型上每一种加筋的截面尺寸；

4、本发明调整截面尺寸后的加筋构件可为市面上易于获取的制式型材。

附图说明

图1是本发明的船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法的流程图；

图2是本发明的加筋设计单元结构示意图；

图3是本发明的原型与缩比模型的轴压无量纲载荷位移曲线对比示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法中，本方法适用于包括扁钢，T型材以及角钢加筋的船舶加筋板结构；

包括以下步骤：

S1、选定实际船舶加筋板结构设计原型；

S2、以单一纵桁或纵骨为单位，将加筋板结构原型划分为若干加筋设计单元，记为P0(S1)，P0(S2)，···，P0(Sn)；

S3、针对第一个加筋设计单元原型P0(S1)，采用全相似理论，以第一同一缩放比例σ₁对加筋设计单元在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

本步骤中的第一同一缩放比例为：

σ₁＝t_p/t_min

式中，t_p为加筋设计单元原型面板厚度，t_min为最小板厚尺寸。

S4、采用相似准则，将步骤S3中得到的缩比模型转化为具有更高材料屈服强度与更大板厚的缩比模型，记为第一阶段缩比模型P1(S1)；

步骤S4中将加筋设计单元从一种材料屈服强度转化为另一种材料屈服强度加筋板模型的比例关系为：

转化后模型与转化前模型纵骨间距关系：b′＝b，

转化后模型与转化前模型跨距关系：a′＝aη^-1/8，

转化后模型与转化前模型面板厚度关系：t′＝tη^1/2，

转化后模型与转化前模型加筋腹板高度关系：h′_w＝h_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋腹板厚度关系：t′_w＝t_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板宽度关系：h′_f＝h_fη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板厚度关系：t′_f＝t_fη^3/8，

式中，η为转化后模型与转化前模型材料屈服强度之比：η＝σ_转化后/σ_转化前。

S5、再次采用全相似理论，以第二同一缩放比例σ₂对第一阶段缩比模型P1(S1)在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

S6、采用相似准则，对步骤S5中得到的缩比模型的纵桁及纵骨尺寸进行调整，得到第二阶段缩比模型P2(S1)；

本步骤中调整加筋截面尺寸前缩比模型，与调整加筋尺寸后的第二阶段缩比模型P2(S1)满足以下关系：

调整前后模型具有相同的刚度相似数：

调整前后模型具有相同的面板柔度相似数：

调整前后模型具有相同的加筋柔度相似数：

调整前后模型具有相同的面板加筋刚度比相似数：

调整前后模型具有相同的加筋剖面相似数：

调整前后模型具有相同的加筋腹板翼板惯性矩比相似数：

式中，A为加筋板模型总剖面积，σ_y为加筋板模型材料屈服强度，E为模型弹性模量，r为加筋截面惯性半径，I为加筋截面惯性矩，I_zf为T型材或角钢加筋翼板抗扭刚度。

其中，π₄，π₅和π₆与加筋构件截面尺寸调整直接相关，π₄，π₅和π₆通过调整加筋构件截面尺寸使其接近制式型材；通过相似准则π₄，π₅和π₆对缩比模型加筋构件截面尺寸进行灵活调整，使其接近制式型材，从而提高模型加工质量和试验测试精度；所有满足π₄，π₅和π₆的加筋构件均可被用于最终的加筋板结构缩比模型，并被认为具有相似的承载特性，加筋板结构缩比模型实际加工中所需的制式型材，可从上述所有满足相似关系的加筋构件中进行选取。

S7、重复步骤S3-S6，得到每一个加筋设计单元的第二阶段缩比模型P2(S2)，P2(S3)，···，P2(Sn)；

应对实际船舶加筋板结构设计原型中每一种不同尺寸或不同截面形式的加筋设计原型开展缩比设计工作，本设计方法与前述第一个加筋设计单元原型P0(S1)相同。

S8、合并各加筋设计单元的第二阶段缩比模型，得到完整加筋板结构的缩比模型P3(S1+S2+···+Sn)；

本步骤中的各加筋设计单元与实际船舶加筋板结构设计原型相同的布置形式，将各加筋设计单元的第二阶段缩比模型进行合并，最终得到整体加筋板结构缩比模型P3(S1+S2+···+Sn)。

本发明的具体实施方式中，如图2-3所述，包括以下步骤：

S1、选取某一大型油轮船底加筋板作为设计原型。该实际船舶加筋板结构模型，一共包括16根纵骨和2根纵桁。其中，纵骨尺寸为T 138×90×9×12，纵桁尺寸为T 383×100×12×17。加筋板结构模型跨距a为4750mm，纵骨间距b为950mm，面板厚度t_p为11mm，面板与加筋材料屈服强度σ_y均为235MPa。

S2、将油轮船底加筋板模型划分为纵桁加筋设计单元与纵骨加筋设计单元共两个设计单元，记为P0(S1)和P0(S2)。

S3、采用全相似理论，对纵桁加筋设计单元P0(S1)在尺度维度和板厚维度上进行缩放，加工最小板厚t_min为4mm，缩放比例σ₁为2.75。缩放后设计单元主要尺寸中，a为1725mm，b为345mm，t_p为4mm，纵桁加筋尺寸为T139×36.3×4.4×6.2。

S4、采用相似准则，将步骤S3中的缩比模型转化为材料屈服强度为690MPa的缩比模型，从而得到纵桁加筋设计单元的第一阶段缩比模型P1(S1)。P1(S1)模型的主要尺寸中，a为1508mm，b为345mm，t_p为6.9mm，纵桁加筋尺寸为T 208×54.4×6.6×9.3。

S5、采用全相似理论，对纵桁加筋设计单元第一阶段缩比模型P1(S1)在尺度维度和板厚维度上进行缩放，加工最小板厚t_min为4.2mm，缩放比例σ₂为1.63。缩放后设计单元主要尺寸中，a为925mm，b为212mm，t_p为4.2mm，纵桁加筋尺寸为T 128×33.4×4.0×5.7。

S6、采用相似准则，对第步骤S5中的缩比模型的加筋尺寸进行调整，从而得到纵桁加筋设计单元的第二阶段缩比模型P2(S1)。P2(S1)模型的主要尺寸中，a为927mm，b为212mm，t_p为4.2mm，纵桁加筋尺寸为T 138×42.1×4.3×2.9。

S7、重复步骤S3-S6，得到纵骨加筋设计单元P0(S2)的第二阶段缩比模型P2(S2)。P2(S2)模型的主要尺寸中，a为927mm，b为212mm，t_p为4.2mm，纵桁加筋尺寸为T 52×37.3×3.5×2.1。

S8、根据大型油轮实际船底加筋板模型布置形式，合并纵桁加筋设计单元与纵骨加筋设计单元的第二阶段缩比模型结果，最终得到完整加筋板结构缩比模型设计结果P3(S1+S2)。

本实施案例中得到的调整截面尺寸后的加筋构件仅是示意性的。设计者可以根据实际需求，选择其他尺寸构件或者制式型材。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、选定实际船舶加筋板结构设计原型；

S2、以单一纵桁或纵骨为单位，将加筋板结构原型划分为若干加筋设计单元，记为P0(S1)，P0(S2)，…，P0(Sn)；

S3、针对第一个加筋设计单元原型P0(S1)，采用全相似理论，以第一同一缩放比例σ₁对所述加筋设计单元在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

S4、采用相似准则，将所述步骤S3中得到的缩比模型转化为具有更高材料屈服强度与更大板厚的缩比模型，记为第一阶段缩比模型P1(S1)；

S5、再次采用全相似理论，以第二同一缩放比例σ₂对所述第一阶段缩比模型P1(S1)在尺寸维度以及板厚维度进行缩放；

S6、采用相似准则，对所述步骤S5中得到的缩比模型的纵桁及纵骨尺寸进行调整，得到第二阶段缩比模型P2(S1)；

调整加筋截面尺寸前缩比模型，与调整加筋尺寸后的第二阶段缩比模型P2(S1)满足以下关系：

调整前后模型具有相同的刚度相似数：

调整前后模型具有相同的面板柔度相似数：

调整前后模型具有相同的加筋柔度相似数：

调整前后模型具有相同的面板加筋刚度比相似数：

调整前后模型具有相同的加筋剖面相似数：

调整前后模型具有相同的加筋腹板翼板惯性矩比相似数：

式中，A为加筋板模型总剖面积，σ_y为加筋板模型材料屈服强度，E为模型弹性模量，r为加筋截面惯性半径，I为加筋截面惯性矩，I_zf为T型材或角钢加筋翼板抗扭刚度；

所述π₄，π₅和π₆通过调整加筋构件截面尺寸使其接近制式型材；

S7、重复步骤S3-S6，得到每一个加筋设计单元的第二阶段缩比模型P2(S2)，P2(S3)，…，P2(Sn)；

S8、合并各加筋设计单元的第二阶段缩比模型，得到完整加筋板结构的缩比模型P3(S1+S2+…+Sn)；

所述加筋设计单元与实际船舶加筋板结构设计原型的布置形式相同；

所述设计方法适用于扁钢、T型材以及角钢加筋的船舶加筋板结构。

2.根据权利要求1所述的船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，其特征在于：所述步骤S3中的第一同一缩放比例σ₁为：

σ₁＝t_p/t_min

式中，t_p为加筋设计单元原型面板厚度，t_min为最小板厚尺寸。

3.根据权利要求1所述的船舶结构非线性响应相似畸变缩比模型设计方法，其特征在于：所述步骤S4中将加筋设计单元从一种材料屈服强度转化为另一种材料屈服强度加筋板模型的比例关系为：

转化后模型与转化前模型纵骨间距关系：b′＝b，

转化后模型与转化前模型跨距关系：a′＝aη^-1/8，

转化后模型与转化前模型面板厚度关系：t′＝tη^1/2，

转化后模型与转化前模型加筋腹板高度关系：h′_w＝h_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋腹板厚度关系：t′_w＝t_wη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板宽度关系：h′_f＝h_fη^3/8，

转化后模型与转化前模型加筋翼板厚度关系：t′_f＝t_fη^3/8，

式中，η为转化后模型与转化前模型材料屈服强度之比：η＝σ_转化后/σ_转化前。

Images