外载荷作用下的船体梁极限弯矩
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在现有通用有限元程序中, 一般很难对模型直 接施加焊接残余应力. 焊接残余应力可以通过热分 析的办法模拟得到. 具体处理可以首先给整个模型 施加一个室温作为初始条件, 然后在焊缝处施加一 个焊接温度场进行焊接过程的模拟, 最后在焊缝处 施加室温模拟自然冷却的过程, 此时的结构应力即 为焊接残余应力. 1. 3. 2 初始挠度模拟
由于采用局部舱段进行分析, 基于平断面假定 端部所有节点随参考点运动. 前后 2个参考点可以 一端刚固另一端运动, 也可以两端同时运动产生一 对力偶. 运用弧长法 ( R IKS) , 对参考弯矩 M 自动施 加不断增长的载荷因子 LPF, 直至构件崩溃, 此时得
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哈尔滨工程大学 学报
第 31卷
第 31卷第 1期 2010年 1月
哈 尔滨 工 程 大 学 学 报 Journa l of H arb in Eng ineering U niversity
do:i 10. 3969/ .j issn. 1006 7043. 2010. 01. 005
V o.l 31 . 1 Jan. 2010
A ssessing the ultimate strength of hull girders under local and external
L I Chen feng, REN H u i long, FENG Guo qing, BA I Bao qiang
( Co llege of Sh ipbuild ing Eng ineer ing, H aerbin Eng ineering U niversity, H arb in 150001, Ch ina)
对船舶或其他复杂工程结构进行有限元分析是 一项复杂的系统工程. 模型范围、单元类型和尺寸、 边界条件、加载方式的选取和初始缺陷的模拟等工 作必须合理有效, 否则直接影响计算效率和精度, 因 此有必要建立一套适用于极限弯矩分析的有限元建 模原则 [ 13] . 1. 1. 1 模型范围
对整个船体进行有限元分析, 同时考虑材料和 几何的非线性, 虽然可以得到船体的极限强度值, 但
网格的尺寸也是非线性有限元建模时比较难把 握的. 由于极限弯矩计算时一般采用弧长法, 过粗的 网格将会影响计算精度, 步长过大则无法抓住后屈 曲时的变形变化; 但是过细的网格和过小的步长将 导致过长的计算时间. 因此在计算过程中要处理好 两者间的矛盾, 可先进行较粗网格的试算进而确定 合适的网格尺寸. 1. 1. 4 约束与加载
第 1期
李陈峰, 等: 外载荷作用下的船体梁极限弯矩
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度 计 算 中. 通 过 比 较 研 究, 国 际 船 舶 结 构 大 会 ( ISSC) [ 6- 7] 认为上述 分析方法可以获 得较为一致 的结果, 并得到模型试验和数值计算的验证, 相关研 究成果已开始应用于船舶结构设计.
需要指出, 目前广泛采用的方法计算得到的都 是船体在纯垂向弯矩作用下的极限弯矩, 不考虑船 体内外载荷的影响, 与数值计算比较的相关模型试 验数据都是在纯弯曲下测得的. 从结构力学相关理 论 [ 8] 可知, 载荷 条件对 结构 的承 载能力 是有 影响 的. 营运中的船舶不仅受到内部载荷的作用, 还受到 外部载荷的作用, 因此有必要研究考虑外载荷影响 的船体梁极限 承载能力. 在海洋工程 方面, K im[ 9 ] 、 L ei[ 10 ] 等研究了在内压作用下的海管的 极限状态. 对于船体结构, 目前只停留在对局部构件的极限状 态分析, 如 Pa ik[ 11- 12] 采用有限元软件分析了在轴向 力和侧向压力作用下的板和加筋板的 极限承载能 力, 研究了不同屈服限对结构承载能力的影响.
图 1 考虑外载荷的极限弯矩有限元分析框架 F ig. 1 F ram ew ork o f FEA consider ing the effec ts o f loads
可在该段采用较粗的网格. 1. 1. 2 单元类型
在建立非线性有限元模型时, 单元类型的选取 也是一个重要的问题. 一般而言, 船体结构尽量用板 单元来模拟, 对于一些加强筋也可以用梁单元. 本文 采用 ABAQUS软件, 所以结构单元都采用 S4R5 单 元 (四节点板壳单元 ) 进行模拟. 1. 1. 3 网格尺寸
本文基于非线性有限元法, 采用通用有限元软 件, 结合船体破损机理和初始缺陷处理方法, 考虑货 物载荷、静水压力和水动压力等局部载荷和水平弯 矩、扭转等外载荷作用, 建立了一个计及外载荷效应 的船体极限强度非线性有限元分析方法.
1 计及外载荷效应的非线性有限元分 析过程
非线性有限元分析是解决复杂工程结构问题的 强有力工具. 基于通用有限元的船体极限强度分析 可包括结构屈服和屈曲等各种失效模式及其相互作 用, 并可考虑初始挠度和残余应力的影响, 也能适用 于联合载荷作用的情况. 考虑外载荷效应的极限弯 矩有限元分析框架, 如图 1所示. 1. 1 有限元建模原则
收稿日期: 2009 01 11. 作者简介: 李陈峰 ( 1981 ) , 男, 讲师, E m ai:l l ichen feng@ h rbeu. edu.
cn; 任慧龙 ( 1965 ) , 男, 教授, 博士生导师.
元法. C aldw ell[ 3 ] 认为船体总纵极限强度即为船舯横 剖面的全塑性弯矩, 该方法没有考虑加筋板单元的 后屈曲能力以及截面应力的重新分布, 容易高估总 纵极限强度. 为此, Sm ith[ 4] 等学者提出了 逐步破坏 分析方法, 该方法基于相关力学理论建立单元特性 曲线, 逐步增加船体梁曲率, 建立剖面弯矩 - 曲率曲 线, 曲线最高点即总 纵极限弯矩. 有限元法 [ 5] 是计 算和评估复杂工程结构问题的强有力工具, 目前许 多大型通用有限元软件已应用到船舶结构的极限强
外载荷作用下的船体梁极限弯矩
李陈峰, 任慧龙, 冯国庆, 白宝强
(哈尔滨 工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要: 为了合理地预测船 体梁极限弯矩, 基于通用有限元系 统, 结 合材料非线 性和初始缺 陷处理 方法, 考虑货 物载荷、 静水压力和水动压力等局部载荷和水平弯矩、扭转等外载荷作用, 建立了一个计 及外载荷效应的船体极限强度非线性 有 限元分析的框架. 采用该文方法对 P a ik计算模型中受局部载荷作用的加筋板的极 限强度进 行了分析, 计算结 果表明, 方 法准确可靠. 最后, 计及外载荷作用对某型油船的极限弯矩进 行了计算分 析, 研 究表明: 外载荷效 应是不 可忽略 的, 船 体 梁极限承载能力不仅与船体结构自身有关, 还与外载荷密切相关. 因此, 建议根 据船舶的具 体装载工况 分别进 行船体 梁 极限承载能力计算. 关键词: 船体梁; 极限弯矩; 局部载荷 ; 非线性有限元法 中图分类号: U 661. 43 文献标识码: A 文章编号: 1006 7043( 2010) 01 0026 06
Abstract: U ltim ate bearing capac ity is an im portant aspect of u ltim ate streng th assessm en.t In order to rationally predict the ultim ate bending m om ent of a hu ll g irder, an integrated fram ew ork for u ltim ate streng th assessm en t using the nonlinear fin ite e lem ent analysis m ethod w as established by tak ing account of the external loads. T he m ethod w as com bined w ith m ateria l nonlinearity, initial imperfect ion treatm ent and external load effects. T he u ltim ate lim it state assessm ent o f a steel stiffened p late structure sub jected to com bined biax ia l com pression and lateral pressure show ed results that com pared w ell w ith va lues in the literature. An oil tanker w as then ana lyzed to dem onstrate com putation of a sh ip s' u lt im ate bearing capac ity under local loads such as w ater pressure and cargo pressure, and ex ternal loads such as horizonta l bending and torsion. Ca lculations indicated that the effects o f loads cannot be neg lected. T he u ltim ate bearing capac ity o f a hull g irder not only relates to the internal structure o f the ship s' hul,l but also the ex ternal loads. Therefore, the autho rs recomm end that ultim ate bearing capacity o f individual hull g irders be ca lculated separately, and under d ifferent load cond itions. K eyword s: hu ll g irder; ultim ate bending mom en;t loca l load; nonlinear FEM
即使在计算和科学技术迅速发展的今天, 计算机容 量越来越大, 计算速 度也越来越快, 也相当费 时费 力. 由于船体结构的复杂性, 只能对局部舱段进行非 线性有限元分析, 于是边界条件的处理变得非常重 要. 一种有效的处理方法就是采用 延长段 !, 它与 模型周界相接, 并 承受外载荷, 应用 St∀ V enant 原 理纠正了边界条件的偏差. 在延长段中可以采用较 高屈服应力的材料, 较大的板厚以避免屈曲, 防止受 载作用处的这段模型过早地被破坏, 考虑计算时间
随着结构应力分析理和试验技术的发展, 船 体结构设 计和材 料使用 日趋 经济 合理, 船体 结构 在极端载荷作用下的强度问题就日益突出起来, 这 已成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究 课题. 目 前 计 算 船 体 纵 向 强 度 较 具 代 表 性 的 方 法 [ 1 2] 有直接计算方法、逐步破坏法和 非线性有限
船体梁曲率rad图9不同载况对极限强度的影响中拱fig9effectsofdifferentloadingease8onhoggingultimatemoment76c之5笔4嚣il船体梁曲率tad图10不同载况对极限强度的影响中垂fig10effectsofdifferentloadingcasesonsaggingultimatemoment表2目标船极限强度计算结果与比较ultimatemmentcomputationsforthetable2targettanker106knm4结束语本文计及外载荷对船体梁极限承载能力的影响给出一套非线性有限元法计算船体梁极限弯矩的计算方法不仅解决了初始挠度和焊接残余应力等初始缺陷的处理方法而且给出了外载荷作用的处理方法
到构件的极限弯矩 LPF #M. 1. 2 材料性能
考虑材料非线性时, 假定所选材料为理想的弹 塑性材料, 即材料在达到屈服应力 y 后, 切线模量 Et = 0, 屈服准则遵守 V on M ises屈服准则及相关的 流动法则. 1. 3 初始缺陷模拟
结构初始缺陷主要指结构装配制造过程中, 由 于工艺、技术等原因引起的与理想设计间的偏差. 船 体梁在加工制造和焊接的过程中, 必然存在初始缺 陷, 即初始几何缺陷和焊接残余应力, 并且初始挠度 和初始应力往往是同时存在. 船体结构的极限承载 能力, 不仅取决于船体构件的形状、尺度、材料特性, 而且在很大程度上受到初始缺陷的影响. 因此, 在结 构的极限强度分析中, 要充分考虑结构几何缺陷和 焊接残余应力的影响. 1. 3. 1 焊接残余应力模拟
由于采用局部舱段进行分析, 基于平断面假定 端部所有节点随参考点运动. 前后 2个参考点可以 一端刚固另一端运动, 也可以两端同时运动产生一 对力偶. 运用弧长法 ( R IKS) , 对参考弯矩 M 自动施 加不断增长的载荷因子 LPF, 直至构件崩溃, 此时得
∀ 28∀
哈尔滨工程大学 学报
第 31卷
第 31卷第 1期 2010年 1月
哈 尔滨 工 程 大 学 学 报 Journa l of H arb in Eng ineering U niversity
do:i 10. 3969/ .j issn. 1006 7043. 2010. 01. 005
V o.l 31 . 1 Jan. 2010
A ssessing the ultimate strength of hull girders under local and external
L I Chen feng, REN H u i long, FENG Guo qing, BA I Bao qiang
( Co llege of Sh ipbuild ing Eng ineer ing, H aerbin Eng ineering U niversity, H arb in 150001, Ch ina)
对船舶或其他复杂工程结构进行有限元分析是 一项复杂的系统工程. 模型范围、单元类型和尺寸、 边界条件、加载方式的选取和初始缺陷的模拟等工 作必须合理有效, 否则直接影响计算效率和精度, 因 此有必要建立一套适用于极限弯矩分析的有限元建 模原则 [ 13] . 1. 1. 1 模型范围
对整个船体进行有限元分析, 同时考虑材料和 几何的非线性, 虽然可以得到船体的极限强度值, 但
网格的尺寸也是非线性有限元建模时比较难把 握的. 由于极限弯矩计算时一般采用弧长法, 过粗的 网格将会影响计算精度, 步长过大则无法抓住后屈 曲时的变形变化; 但是过细的网格和过小的步长将 导致过长的计算时间. 因此在计算过程中要处理好 两者间的矛盾, 可先进行较粗网格的试算进而确定 合适的网格尺寸. 1. 1. 4 约束与加载
第 1期
李陈峰, 等: 外载荷作用下的船体梁极限弯矩
∀ 27∀
度 计 算 中. 通 过 比 较 研 究, 国 际 船 舶 结 构 大 会 ( ISSC) [ 6- 7] 认为上述 分析方法可以获 得较为一致 的结果, 并得到模型试验和数值计算的验证, 相关研 究成果已开始应用于船舶结构设计.
需要指出, 目前广泛采用的方法计算得到的都 是船体在纯垂向弯矩作用下的极限弯矩, 不考虑船 体内外载荷的影响, 与数值计算比较的相关模型试 验数据都是在纯弯曲下测得的. 从结构力学相关理 论 [ 8] 可知, 载荷 条件对 结构 的承 载能力 是有 影响 的. 营运中的船舶不仅受到内部载荷的作用, 还受到 外部载荷的作用, 因此有必要研究考虑外载荷影响 的船体梁极限 承载能力. 在海洋工程 方面, K im[ 9 ] 、 L ei[ 10 ] 等研究了在内压作用下的海管的 极限状态. 对于船体结构, 目前只停留在对局部构件的极限状 态分析, 如 Pa ik[ 11- 12] 采用有限元软件分析了在轴向 力和侧向压力作用下的板和加筋板的 极限承载能 力, 研究了不同屈服限对结构承载能力的影响.
图 1 考虑外载荷的极限弯矩有限元分析框架 F ig. 1 F ram ew ork o f FEA consider ing the effec ts o f loads
可在该段采用较粗的网格. 1. 1. 2 单元类型
在建立非线性有限元模型时, 单元类型的选取 也是一个重要的问题. 一般而言, 船体结构尽量用板 单元来模拟, 对于一些加强筋也可以用梁单元. 本文 采用 ABAQUS软件, 所以结构单元都采用 S4R5 单 元 (四节点板壳单元 ) 进行模拟. 1. 1. 3 网格尺寸
本文基于非线性有限元法, 采用通用有限元软 件, 结合船体破损机理和初始缺陷处理方法, 考虑货 物载荷、静水压力和水动压力等局部载荷和水平弯 矩、扭转等外载荷作用, 建立了一个计及外载荷效应 的船体极限强度非线性有限元分析方法.
1 计及外载荷效应的非线性有限元分 析过程
非线性有限元分析是解决复杂工程结构问题的 强有力工具. 基于通用有限元的船体极限强度分析 可包括结构屈服和屈曲等各种失效模式及其相互作 用, 并可考虑初始挠度和残余应力的影响, 也能适用 于联合载荷作用的情况. 考虑外载荷效应的极限弯 矩有限元分析框架, 如图 1所示. 1. 1 有限元建模原则
收稿日期: 2009 01 11. 作者简介: 李陈峰 ( 1981 ) , 男, 讲师, E m ai:l l ichen feng@ h rbeu. edu.
cn; 任慧龙 ( 1965 ) , 男, 教授, 博士生导师.
元法. C aldw ell[ 3 ] 认为船体总纵极限强度即为船舯横 剖面的全塑性弯矩, 该方法没有考虑加筋板单元的 后屈曲能力以及截面应力的重新分布, 容易高估总 纵极限强度. 为此, Sm ith[ 4] 等学者提出了 逐步破坏 分析方法, 该方法基于相关力学理论建立单元特性 曲线, 逐步增加船体梁曲率, 建立剖面弯矩 - 曲率曲 线, 曲线最高点即总 纵极限弯矩. 有限元法 [ 5] 是计 算和评估复杂工程结构问题的强有力工具, 目前许 多大型通用有限元软件已应用到船舶结构的极限强
外载荷作用下的船体梁极限弯矩
李陈峰, 任慧龙, 冯国庆, 白宝强
(哈尔滨 工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要: 为了合理地预测船 体梁极限弯矩, 基于通用有限元系 统, 结 合材料非线 性和初始缺 陷处理 方法, 考虑货 物载荷、 静水压力和水动压力等局部载荷和水平弯矩、扭转等外载荷作用, 建立了一个计 及外载荷效应的船体极限强度非线性 有 限元分析的框架. 采用该文方法对 P a ik计算模型中受局部载荷作用的加筋板的极 限强度进 行了分析, 计算结 果表明, 方 法准确可靠. 最后, 计及外载荷作用对某型油船的极限弯矩进 行了计算分 析, 研 究表明: 外载荷效 应是不 可忽略 的, 船 体 梁极限承载能力不仅与船体结构自身有关, 还与外载荷密切相关. 因此, 建议根 据船舶的具 体装载工况 分别进 行船体 梁 极限承载能力计算. 关键词: 船体梁; 极限弯矩; 局部载荷 ; 非线性有限元法 中图分类号: U 661. 43 文献标识码: A 文章编号: 1006 7043( 2010) 01 0026 06
Abstract: U ltim ate bearing capac ity is an im portant aspect of u ltim ate streng th assessm en.t In order to rationally predict the ultim ate bending m om ent of a hu ll g irder, an integrated fram ew ork for u ltim ate streng th assessm en t using the nonlinear fin ite e lem ent analysis m ethod w as established by tak ing account of the external loads. T he m ethod w as com bined w ith m ateria l nonlinearity, initial imperfect ion treatm ent and external load effects. T he u ltim ate lim it state assessm ent o f a steel stiffened p late structure sub jected to com bined biax ia l com pression and lateral pressure show ed results that com pared w ell w ith va lues in the literature. An oil tanker w as then ana lyzed to dem onstrate com putation of a sh ip s' u lt im ate bearing capac ity under local loads such as w ater pressure and cargo pressure, and ex ternal loads such as horizonta l bending and torsion. Ca lculations indicated that the effects o f loads cannot be neg lected. T he u ltim ate bearing capac ity o f a hull g irder not only relates to the internal structure o f the ship s' hul,l but also the ex ternal loads. Therefore, the autho rs recomm end that ultim ate bearing capacity o f individual hull g irders be ca lculated separately, and under d ifferent load cond itions. K eyword s: hu ll g irder; ultim ate bending mom en;t loca l load; nonlinear FEM
即使在计算和科学技术迅速发展的今天, 计算机容 量越来越大, 计算速 度也越来越快, 也相当费 时费 力. 由于船体结构的复杂性, 只能对局部舱段进行非 线性有限元分析, 于是边界条件的处理变得非常重 要. 一种有效的处理方法就是采用 延长段 !, 它与 模型周界相接, 并 承受外载荷, 应用 St∀ V enant 原 理纠正了边界条件的偏差. 在延长段中可以采用较 高屈服应力的材料, 较大的板厚以避免屈曲, 防止受 载作用处的这段模型过早地被破坏, 考虑计算时间
随着结构应力分析理和试验技术的发展, 船 体结构设 计和材 料使用 日趋 经济 合理, 船体 结构 在极端载荷作用下的强度问题就日益突出起来, 这 已成为国际船舶结构力学领域近期的一个热点研究 课题. 目 前 计 算 船 体 纵 向 强 度 较 具 代 表 性 的 方 法 [ 1 2] 有直接计算方法、逐步破坏法和 非线性有限
船体梁曲率rad图9不同载况对极限强度的影响中拱fig9effectsofdifferentloadingease8onhoggingultimatemoment76c之5笔4嚣il船体梁曲率tad图10不同载况对极限强度的影响中垂fig10effectsofdifferentloadingcasesonsaggingultimatemoment表2目标船极限强度计算结果与比较ultimatemmentcomputationsforthetable2targettanker106knm4结束语本文计及外载荷对船体梁极限承载能力的影响给出一套非线性有限元法计算船体梁极限弯矩的计算方法不仅解决了初始挠度和焊接残余应力等初始缺陷的处理方法而且给出了外载荷作用的处理方法
到构件的极限弯矩 LPF #M. 1. 2 材料性能
考虑材料非线性时, 假定所选材料为理想的弹 塑性材料, 即材料在达到屈服应力 y 后, 切线模量 Et = 0, 屈服准则遵守 V on M ises屈服准则及相关的 流动法则. 1. 3 初始缺陷模拟
结构初始缺陷主要指结构装配制造过程中, 由 于工艺、技术等原因引起的与理想设计间的偏差. 船 体梁在加工制造和焊接的过程中, 必然存在初始缺 陷, 即初始几何缺陷和焊接残余应力, 并且初始挠度 和初始应力往往是同时存在. 船体结构的极限承载 能力, 不仅取决于船体构件的形状、尺度、材料特性, 而且在很大程度上受到初始缺陷的影响. 因此, 在结 构的极限强度分析中, 要充分考虑结构几何缺陷和 焊接残余应力的影响. 1. 3. 1 焊接残余应力模拟