船舶與海洋工程畢業(yè)設(shè)計(jì)船體結(jié)構(gòu)加筋板的屈曲分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　船體結(jié)構(gòu)加筋板的屈曲分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 船舶與海洋工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　目錄</b></p>

3、;<p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　1.緒論3</b></p><p>　　1.1立題背景和意義3</p><p>　　1.2船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲計(jì)算方法研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1經(jīng)驗(yàn)公式法4</p><p

4、>　　1.2.2有限元法4</p><p>　　1.2.3理論解析法或半解析法5</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容10</p><p>　　2.加筋板屈曲分析的經(jīng)驗(yàn)公式法11</p><p>　　2.1整體加筋板格屈曲11</p><p>　　2.1.1最小橫向剛度11</p>

5、<p>　　2.1.2整體板格屈曲計(jì)算12</p><p>　　2.2.縱向加筋板格屈曲12</p><p>　　2.2.1最小縱向剛度12</p><p>　　2.2.2縱向加筋板格整體屈曲計(jì)算13</p><p>　　2.2.3細(xì)長體縱向加筋子板格極限強(qiáng)度計(jì)算13</p><p>　　2.2

6、.4加強(qiáng)筋扭曲(Tripping)失穩(wěn)計(jì)算14</p><p>　　2.3.縱向加筋子板的極限強(qiáng)度分析16</p><p>　　3.船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲分析的有限元法理論17</p><p>　　3.1 基本原理17</p><p>　　3.2基本思路17</p><p>　　3.3有限元建模要求18<

7、/p><p>　　3.4有限元模型性能指標(biāo)19</p><p>　　3.5有限元法的應(yīng)用19</p><p>　　4.船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲的Patran建模與分析24</p><p>　　4.1 建模步驟24</p><p>　　4.2 建模關(guān)鍵問題24</p><p><b>　

8、　4.3 算例24</b></p><p>　　4.3.1基本模型24</p><p>　　4.3.2屈曲模式分析25</p><p>　　4.3.3臨界應(yīng)力求解25</p><p>　　4.4結(jié)果分析與討論29</p><p>　　4.4.1 基本模型29</p><p&g

9、t;　　4.4.2 對比研究37</p><p>　　5.結(jié)論與展望45</p><p><b>　　致謝47</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)48</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　船體結(jié)構(gòu)

10、穩(wěn)定性一直都是船舶設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，加筋板是船舶結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一，對船舶的安全性，經(jīng)濟(jì)性有重大影響，因此對加筋板屈曲的研究是十分重要的。</p><p>　　目前對加筋板的屈曲分析，主要有三種方法：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果或數(shù)值計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式法；有限元法；理論解析法或半解析法。本文主要用Patran針對不同構(gòu)造的加筋板進(jìn)行計(jì)算對比，得出不同因素如板寬、板厚、網(wǎng)格劃分、加筋形式、開孔、載荷對加筋板屈曲的影響。論文的

11、研究結(jié)果可方便地應(yīng)用于加筋板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 船舶結(jié)構(gòu)；加筋板；屈曲；有限元法；Patran</p><p>　　Buckling analysis of stiffened plates of hull structure </p><p>　　[Abstract] Hull structure stability is al

12、ways the key of ship design. Stiffened plate is the main component of ship structure, and has a major impact on ships' safety, economy. So the buckling of stiffened plate is very important. At present the buckling of

13、 stiffened plate has three ways: The experience formula based on the experimental and numerical calculation results; finite element method; theoretical analytic method, or so called the semi-analytical method. This artic

14、le’s main contents are </p><p>　　[Key Words] ship structure；stiffened plate；buckling；the finite element method；Patran</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1立題背景和意義</p>

15、<p>　　結(jié)構(gòu)的屈曲分析是強(qiáng)度理論的分枝之一，對結(jié)構(gòu)的安全性是很重要的。而現(xiàn)在飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)和涌現(xiàn)出來的高強(qiáng)度材料，材料的強(qiáng)度已經(jīng)不是主要關(guān)心的方面了，而且拉應(yīng)力作為主要研究方向的也不是很重要了，而是側(cè)重壓應(yīng)力為主，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中顯得重要了起來。在建筑、橋梁、航空和海洋工程中都面臨著這一課題。在保證安全的情況下，最大限度降低材料的消耗，成為了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者的一個(gè)重要課題。所以在符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能要求、保證結(jié)構(gòu)的安全前提下

16、，每一個(gè)設(shè)計(jì)工作者都在追求如何最大限度地節(jié)省材料。因此急需研究人員提供一個(gè)精確，實(shí)用且與理論結(jié)果相接近的研究方法。</p><p>　　船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性研究很重要，船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)工作者一向高度重視。最近幾年，船舶排水量越來越大、船體結(jié)構(gòu)重量反而越來越小，在強(qiáng)度的要求下，高強(qiáng)度鋼被運(yùn)用的很多。船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剖面尺寸越來越小，結(jié)構(gòu)剛度越來越低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題顯得尤為重要。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是指在承受外力荷載時(shí)能夠保持結(jié)構(gòu)

17、初始形狀的能力。屈曲是指結(jié)構(gòu)從初始形狀向其他形狀的突變。此時(shí)的平均應(yīng)力稱為屈曲應(yīng)力或臨界應(yīng)力。它取決于結(jié)構(gòu)的尺寸、形式、材料和所受壓力分布模式和邊界條件。研究結(jié)構(gòu)的屈曲就是要求求出臨界應(yīng)力，并使該值不小于其所受的壓應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)能正常工作。</p><p>　　船體結(jié)構(gòu)的屈曲分析，一般要求計(jì)算結(jié)構(gòu)的臨界應(yīng)力。加筋板結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量材料，而且還能保證結(jié)構(gòu)實(shí)用性和安全性，提高了結(jié)構(gòu)的效率和經(jīng)濟(jì)性，在海洋工程，土木工程，

18、航空工程，能源工程，橋梁工程等等的工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。如何快速預(yù)估結(jié)構(gòu)的承載能力，合理地對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，漸漸成為船舶研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。</p><p>　　1.2船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲計(jì)算方法研究現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)結(jié)構(gòu)承受的載荷到了一個(gè)特定值時(shí)，只要增加一個(gè)小小的位移，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生很大的形變，這就是結(jié)構(gòu)的屈曲，相應(yīng)的載荷被稱為臨界載荷。</p><p>

19、;　　結(jié)構(gòu)的屈曲按材料性質(zhì)和工作的應(yīng)力水平，可將屈曲分為彈性屈曲、塑性屈曲和彈塑性屈曲。彈性屈曲-結(jié)構(gòu)屈曲前和結(jié)構(gòu)屈曲后仍在小變形范圍內(nèi)處于彈性狀態(tài)時(shí)，稱之為彈性屈曲；塑性屈曲-發(fā)生屈曲時(shí)結(jié)構(gòu)在塑性應(yīng)力狀態(tài)，稱之為塑性屈曲；彈塑性屈曲-介于彈性屈曲和塑性屈曲中間的一種屈曲形式，屈曲前結(jié)構(gòu)處于彈性應(yīng)力狀態(tài)，屈曲時(shí)因?yàn)閿_動(dòng)變形使一部分材料進(jìn)入塑性，屈曲后材料處于彈塑性應(yīng)力狀態(tài)。近二十年來，廣大造船工作者在板架和加筋板穩(wěn)定性的計(jì)算方法、試驗(yàn)研

20、究等方面做了不少研究。目前對加筋板的屈曲分析，主要有三種方法：</p><p>　　(1)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果或數(shù)值計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式。</p><p><b>　　(2)有限元法；</b></p><p>　　(3)理論解析法或半解析法；</p><p>　　1.2.1經(jīng)驗(yàn)公式法</p><p>

21、　　Chapman和Smith（1991）等人通過大量測試獲得了加筋板的經(jīng)驗(yàn)公式。西原誠一郎（Nishihara）經(jīng)過大量的理論分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試，在1983獲得了經(jīng)驗(yàn)公式關(guān)于局部和總體破壞。Lin（1985）基于前人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了對加筋板極限強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)報(bào)的參數(shù)表達(dá)式，主要參數(shù)為加筋間板的細(xì)長比和加筋板梁柱細(xì)長比，經(jīng)過有限元分析后，提出了計(jì)算加筋板極限強(qiáng)度的公式。Paik（1997）注意到Lin所用數(shù)據(jù)局限在大尺寸加筋板，具有較小的

22、梁柱細(xì)長比的加筋板，當(dāng)>1時(shí)明顯偏小。Paik利用>1的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，使用與Lin類似的表達(dá)式，提出用于預(yù)估加筋板極限強(qiáng)度的公式，改善了對>1的結(jié)構(gòu)預(yù)估性能。Paik的表達(dá)式也有缺陷，加筋扭轉(zhuǎn)屈曲的參數(shù)高厚比沒有被考慮，而發(fā)生這類破壞時(shí)，另兩類破壞的極限強(qiáng)度一般大于此類破壞，因此Paik公式預(yù)估的此類破壞極限強(qiáng)度值過高，也沒考慮焊接殘余應(yīng)和初始缺陷的影響。事實(shí)上，船體結(jié)構(gòu)加筋板的受力情況很復(fù)雜，除了由于總縱彎曲而產(chǎn)生的縱向

23、壓力以外，還有水的橫向壓力。為了更加精確的分析加筋板的屈曲，必須考慮其所受到的全部載荷，Yao等人在這些方面做了大量實(shí)驗(yàn)。由于加工制造等原因，</p><p><b>　　1.2.2有限元法</b></p><p>　　考慮到非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法的規(guī)模，學(xué)者們研究出了大量半經(jīng)驗(yàn)半解析方法以減少單元的劃分，改進(jìn)單元性能和減小計(jì)算復(fù)雜性。Ueda（1991)等根據(jù)板梁

24、、加筋板單元的非線性特征發(fā)展了理想化單元ISUM（Idealized Structure Unit Method）法。該方法中考慮了單元的材料非線性和幾何非線性，以及初始缺陷對加筋板極限強(qiáng)度影響。Bai和Bendiksen（1993）推導(dǎo)出了改善的用于加筋板有限元分析的新方法。Paik（2000）開發(fā)出了可以簡單、快速、有效計(jì)算加筋板在組合載荷作用下的極限強(qiáng)度的ALPS/ULSAP程序，并把初始缺陷也給考慮了進(jìn)去。</p>

25、<p>　　其他的學(xué)者們也采用了有限元法和有限差分法計(jì)算加筋板的極限強(qiáng)度。下面我們簡單介紹下：</p><p>　　Crisfield（1975）對單向加筋板做了非線性有限元計(jì)算，并應(yīng)用到對單向加筋板的總體分析中去。Mukhopadhyuy（1990）提出一種新方法，對加筋板的彎曲、振動(dòng)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析，突出點(diǎn)是可以對任何形狀的邊界進(jìn)行處理。Kakal（1990）用有限元法計(jì)算了加筋板屈曲，對單向加筋

26、板來說是一個(gè)有效的方法。章向明、施華民、工安穩(wěn)（1999）提出了對偏心加筋板進(jìn)行幾何非線性分析的理論公式和相應(yīng)的有限元計(jì)算模型?？紤]到大變形的影響，在板和筋的運(yùn)動(dòng)方程中引用vonKarman形變關(guān)系，并按照MindIin的板理論對橫向剪切變形的影響進(jìn)行評估。他們的模型適合于薄板和厚板的幾何非線性分析。</p><p>　　許多文獻(xiàn)中都提及有限元分析采用通用結(jié)構(gòu)的有限元分析軟件。這種基于通用軟件的有限元法可以被運(yùn)用

27、到對各種復(fù)雜和不規(guī)則的板架進(jìn)行計(jì)算，并且可以將實(shí)際存在的復(fù)雜因素列入考慮范圍。除了通用有限元程序，在結(jié)構(gòu)非線性分析中，NASTRAN、ANSYS、 ABAQUS等也發(fā)揮極大的作用?？紤]到船體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，船體結(jié)構(gòu)與有限元法相結(jié)合的專用有限元程序，在建模靈活性和規(guī)模大小上各自有自身的優(yōu)勢。如ABS發(fā)展的USAS (Ultimate Strength Analysis of Structures)系統(tǒng)，能運(yùn)用于板、筋和正交異性板三類單元，并可

28、考慮彈塑性和幾何非線性的影響，只是不能考慮焊接中的殘余應(yīng)力影響.</p><p>　　1.2.3理論解析法或半解析法</p><p>　　Timoskenko（1936）和Sleich（1965）比較早的對加筋板的屈曲進(jìn)行了研究。他們分別用能量法求解不同加筋數(shù)量、加筋位置的加筋板的臨界應(yīng)力。加筋板發(fā)生局部屈曲時(shí)，可將屈曲后的板按折減寬度計(jì)入到梁剖面中，然后就可以按交叉梁系對其進(jìn)行整體的屈曲

29、計(jì)算了。Chang（1969）、Faullaier（1975, 1973）等計(jì)算了不同情況下交叉梁系的板架發(fā)生總體屈曲時(shí)的臨界應(yīng)力，他們將交叉梁系轉(zhuǎn)化到支持在一系列彈簧上的連續(xù)梁上，采用振動(dòng)比擬的方法來求其自振頻率，從而得到臨界應(yīng)力值。</p><p>　　Tvergaard（1973）在理論上對單向加筋板局部和整體屈曲的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，他認(rèn)為：傳統(tǒng)上的觀點(diǎn)：加筋板局部屈曲和整體屈曲共同發(fā)生時(shí)，加筋板達(dá)到設(shè)計(jì)

30、最優(yōu)點(diǎn)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。因?yàn)槟菚r(shí)的結(jié)構(gòu)存在很大的缺陷，導(dǎo)致了加筋板的承載能力大幅度降低的問題。 Jobnston（1970）對整體加筋板格屈曲強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，而且也提出了加筋板所需最小橫向剛度。Smith（1977）建立了屈曲或屈服破壞連續(xù)失效模型，用來反映加筋板失效的全過程通過加筋板在失效區(qū)域的載荷-端部曲線。</p><p>　　Fujuta（1977,1979）基于可能的失效力學(xué)模型，剛塑性分析和

31、彈性大撓度理論，提出了可對加筋板屈曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的簡化公式。在這種方法中，由彈性位移和剛塑性位移的交點(diǎn)值來確定極限壓縮強(qiáng)度。該方法比有限元方法更簡單、有效，且結(jié)果令人滿意，比經(jīng)驗(yàn)公更合理并能詳細(xì)了解結(jié)構(gòu)失效行為的本質(zhì)，因而該方法受到較多人的關(guān)注。</p><p>　　大致的可將各種簡化公式歸納為兩類：Johnson-OstenFeld法和Perry-Robertson法。Johnson-OstenFeld法對具有

32、高彈性屈曲強(qiáng)度并且尺寸較小的加筋板能夠近似地考慮塑性的影響，而Perry-Robertson法則將板筋作為梁柱，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度時(shí)則會(huì)失效。它主要包含兩種失效模式：板誘導(dǎo)失效和加強(qiáng)筋誘導(dǎo)失效。</p><p>　　Paik（1987,1999）采用Galerkin的增量法來求解加筋板的大繞度非線性方程，他把板的初始撓度也考慮在內(nèi)，未考慮焊接殘余應(yīng)力的影響。2001年的時(shí)候，他考慮了幾何和材料雙重非線性的

33、問題，該方法也被運(yùn)用到對多種載荷作用下的加筋板的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　Haghes（1988）提出用梁柱方法計(jì)算加筋板極限強(qiáng)度。將加筋板的失效分為板先破壞、加強(qiáng)筋先破壞、板筋同時(shí)破壞三類。相當(dāng)梁柱參數(shù)可以通過加筋板幾何參數(shù)和船體板的屈曲折減系數(shù)進(jìn)行確定，然后按有效缺陷梁柱理論計(jì)算極限強(qiáng)度。其工程計(jì)算表明，這種簡化計(jì)算具有一定的精度，可以被廣泛運(yùn)用到后期研究中。</p><p&

34、gt;　　Yao（1991,1992）采用梁段平衡方法來對加筋板極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。板彈性大撓度變形與剛塑性被考慮運(yùn)用到確定板的極限強(qiáng)度，得出板的平均應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。將整個(gè)加筋板作為梁段，然后以平衡條件來確定跨中平均應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。其中加強(qiáng)筋分為T型材和角鋼：前者考慮中段塑性變形，并在梁段達(dá)到彎曲屈曲應(yīng)力；后者僅考慮彈性扭轉(zhuǎn)屈曲應(yīng)力。</p><p>　　Ueda（1991,1996）采用臨界剛度比法，由板與加筋

35、的剛度比決定失效方式.Ueda將加筋板的失效分為四類，對每類失效的極限強(qiáng)度，依受力條件，由理論分析和數(shù)值計(jì)算給出類似屈服面方程的極限面方程。</p><p>　　我國學(xué)者相對外國學(xué)者來說對加筋板的穩(wěn)定性研究起步稍晚。</p><p>　　王震鳴（1984,1985,1991）等提出了有缺陷的金屬和復(fù)合材料加筋板殼的面板在局部屈曲前后的有效剛度問題，通過研究提出了加筋板在外載荷作用下面板先發(fā)

36、生局部屈曲，或局部屈曲載荷與整體屈曲載荷相近時(shí)承載能力的近似計(jì)算方法，并指出了增大加筋板殼承載能力的主要方法。</p><p>　　崔維成等做了大量研究針對加筋板的屈曲及極限強(qiáng)度，然后用簡化了的方法分析組合載荷作用下加筋板的極限強(qiáng)度，他們沒有考慮剪應(yīng)力的影響。</p><p>　　文獻(xiàn)[1] 主要是說橫向加勁腹板在局部載荷作用下的穩(wěn)定性分析，采用Ritz法分析局部載荷作用下橫向加勁腹板的屈

37、曲強(qiáng)度，板內(nèi)應(yīng)力采用有限元法計(jì)算，給出了加勁肋的臨界剛度以及板的最大屈曲系數(shù)的計(jì)算圖表，分析結(jié)果表明，當(dāng)載荷相對尺寸小于0.5，板長寬比小于1.38時(shí)，橫向加勁腹板比縱向加勁腹板具有較高的臨界載荷。</p><p>　　文獻(xiàn)[2] 采用里茲法和切分?jǐn)M合的數(shù)學(xué)方法，討論了單向壓縮和彎曲共同作用的薄板彈性屈曲問題。首先將薄板能量方程按照里茲法求解方法進(jìn)行推導(dǎo)改寫，利用最小勢能原理和Matlab數(shù)學(xué)計(jì)算軟件，采用切分的

38、數(shù)學(xué)方法，求各切分點(diǎn)的準(zhǔn)確解。利用切分?jǐn)?shù)據(jù)，通過擬合方法給出了薄板載壓縮和彎曲共同作用下臨界關(guān)系曲線。最后應(yīng)用文中研究成果，對現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于鋼梁腹板僅設(shè)橫向加勁肋的區(qū)格穩(wěn)定驗(yàn)算公式提出了修改建議。</p><p>　　文獻(xiàn)[3] 在本文中基于基爾霍夫假設(shè)的板彎曲邊界元法（BEM），被應(yīng)用到分析常見樓板的彎曲上。平衡性和兼容性是等同的重要，對于一個(gè)一體化的合成構(gòu)件。應(yīng)對梁的彎曲有兩種方法。</p

39、><p>　　文獻(xiàn)[4] 研究交互式加筋板的屈曲</p><p>　　文獻(xiàn)[5] 小撓度理論板的彈性曲面微分方程，能量法計(jì)算板的彈性失穩(wěn)荷載，不同面內(nèi)荷載作用下板的彈性失穩(wěn)，幾種邊緣荷載共同作用下薄板的臨界條件，板穩(wěn)定理論在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用</p><p>　　文獻(xiàn)[6] 考慮殘余應(yīng)力、側(cè)向壓應(yīng)力、開孔和扭轉(zhuǎn)約束對于板格的屈曲強(qiáng)度的影響，討論了各個(gè)因素影響下的板格的屈

40、曲強(qiáng)度計(jì)算公式。并通過有限元計(jì)算對屈曲強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行了分析與比較;根據(jù)大變形理論，通過板的非線性控制微分方程的分析，得到了各種組合載荷情況下的板格的極限強(qiáng)度計(jì)算公式。并考慮初始缺陷對極限強(qiáng)度的影響;按照CCS“油船結(jié)構(gòu)直接計(jì)算分析指南”(2004)對110000DWT原油船進(jìn)行有限元直接計(jì)算。針對各種規(guī)定的計(jì)算載荷工況，對該船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。并對其主要的船體板如甲板、底板、舷側(cè)、內(nèi)殼和縱橫向艙壁板等板格進(jìn)行了平板屈曲校核。&l

41、t;/p><p>　　文獻(xiàn)[7] 本文將船用鋼拉伸實(shí)驗(yàn)曲線從比例極限到屈服極限的非線性段,用一個(gè)含有四個(gè)參數(shù)的冪函數(shù)來表達(dá)。對7種常用的船用鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合,通過誤差分析,驗(yàn)證了上述方法的可用性,進(jìn)而得到船用鋼應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。還根據(jù)船用鋼的特性,計(jì)算加筋板在非線性階段的梁柱屈曲應(yīng)力。</p><p>　　文獻(xiàn)[8] 提出任意開口薄璧截面圓弧曲梁的翹曲位移表達(dá)式，利用能量

42、原理導(dǎo)出了單軸對稱工字形截面拱的德定平衡方程，文中主要對工字形截面拱在均布徑向荷裁（均勻受壓）和兩端作用大小相等、方向相反的端彎矩（均勻受壓）條件下的彎扭屈曲進(jìn)行分析, 給出屈曲荷載的理論解答考慮了工字形截面不同放置時(shí)待載的不同，分析截面不對稱性對屈曲荷載的影響，并與已有的文章進(jìn)行比較。</p><p>　　文獻(xiàn)[9] 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性背景，非線性后屈曲過程，線性（特征值）屈曲過程，非線性屈曲技術(shù)背景，非線性前屈曲過程

43、。</p><p>　　文獻(xiàn)[10] 鋼結(jié)構(gòu)屈曲是造成結(jié)構(gòu)喪失承載力的重要原因，從單純考慮整體或局部屈曲發(fā)展到考慮局部—整體相關(guān)屈曲是研究的重大突破，回顧相關(guān)屈曲的研究歷史，分析研究現(xiàn)狀，展望未來的發(fā)展方向，是研究工作可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　文獻(xiàn)[11] 本文記述了焊接對稱工字形鋼梁橫向加勁腹板在純剪切作用下超屈曲破壞前、后的性狀，通過試驗(yàn)及理論推導(dǎo)，經(jīng)過多元線性回歸，

44、給出了破壞時(shí)梁腹板內(nèi)張應(yīng)力的方向，確定了極限剪切承載力。通過對六根梁（本人三根，收集天津大學(xué)三根）的理論值與試驗(yàn)值的比較表明，本文公式的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值基本吻合。</p><p>　　文獻(xiàn)[12] 屈曲的背景知識，屈曲分析步驟，Workshop 7-1。</p><p>　　文獻(xiàn)[13] 系統(tǒng)地分析了三個(gè)主要參數(shù)板高厚比λ、肋板剛度比η和柱剛度β，對鋼板剪力墻彈性屈曲性能的影響；提出了鋼板

45、剪力墻的三種彈性屈曲形式（局部屈曲、整體屈曲和相關(guān)屈曲），指出肋板剛度η=40時(shí)能保證十字加勁板發(fā)生小區(qū)格板的局部屈曲或整塊板的相關(guān)屈曲；指出現(xiàn)行高層建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范用于縱橫加勁板局部屈曲荷載的設(shè)計(jì)表達(dá)式僅適用于η≥40的條件，而在η<40范圍內(nèi)，其計(jì)算結(jié)果偏于不安全；研究了交叉加勁板的彈性屈曲荷載，并與非加勁板和十字加勁板的屈曲性能進(jìn)行了比較；最終給出了柱剛度對彈性屈曲荷載的修正系數(shù)，提出了交叉加勁板彈性屈曲荷載的簡化計(jì)算公式。&

46、lt;/p><p>　　文獻(xiàn)[14] 按照《分析指南》對26000DWT成品油船進(jìn)行有限元直接計(jì)算。針對規(guī)定的計(jì)算載荷工況，對該船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。并對其主要的船體板如甲板、底板、舷側(cè)、內(nèi)殼和縱橫向艙壁板等板格進(jìn)行了平板屈曲校核。按照《共同規(guī)范》對26000DWT成品油船進(jìn)有限元直接計(jì)算。針對規(guī)定的計(jì)算載荷工況，對該船船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。并對其主要的船體板如甲板、底板、舷側(cè)、內(nèi)殼和縱橫向艙壁板等板格進(jìn)行了屈

47、曲強(qiáng)度校核。</p><p>　　文獻(xiàn)[15] 應(yīng)用軟件進(jìn)行加筋板屈曲分析舉例。</p><p>　　文獻(xiàn)[16] 提出了一種加筋板大撓度彎曲的新解法，此方法將離散的梁與板結(jié)合起來建立一個(gè)統(tǒng)一的控制方程。然后引入板、板長方向和板寬方向加筋三個(gè)不同的應(yīng)力函數(shù)，通過函數(shù)將加筋應(yīng)力場離散，根據(jù)加筋板的平衡方程和變形協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出加筋板的Von-Karman 方程。運(yùn)用加權(quán)殘值法，可以解出不同邊

48、界條件下的加筋板大撓度問題。最后還給出了幾個(gè)計(jì)算實(shí)例。</p><p>　　文獻(xiàn)[17] 本文將線性樣條有限條理論推廣到大撓度彈塑性范圍，建立了樣條有限條非線性分析方法，成功地分析了縱向加筋板結(jié)構(gòu)局部與整體穩(wěn)定相關(guān)作用對其極限承載能力的影響，采用弧長法和迭代求解非線性剛度方程，可獲得包括峰值點(diǎn)在內(nèi)的一條完整的荷載-撓度曲線，分析中考慮了加筋板結(jié)構(gòu)的初曲和殘余應(yīng)力的影響，使得計(jì)算結(jié)果更具實(shí)用價(jià)值。</p>

49、;<p>　　文獻(xiàn)[18] 作者在論文中提出了一種板梁分開方法計(jì)算加勁板的理論模型, 并用有限元法對該理論模型進(jìn)行了幾何非線性分析, 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及一些解析解相比較,得出了滿意的結(jié)果。</p><p>　　文獻(xiàn)[19] 近幾十年來，結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力屈曲問題一直是力學(xué)工作者極為關(guān)注的一個(gè)前沿課題。本文總結(jié)和綜述了這一研究領(lǐng)域的幾個(gè)基本問題；屈曲問題的分類、動(dòng)態(tài)屈曲問題的特點(diǎn)及其特征量；介紹了屈曲問題的處理方

50、法和目前已取得的成果；總結(jié)評述了人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題；屈曲問題的模型分析和實(shí)驗(yàn)技術(shù)、動(dòng)態(tài)屈曲判別準(zhǔn)則。</p><p>　　文獻(xiàn)[20] 本文對結(jié)構(gòu)屈曲問題進(jìn)行了幾何非線性有限元分析，采用改進(jìn)了弧長約束方程的弧長控制法求解非線性方程組，用以處理屈曲時(shí)載荷下降的問題，并通過算例，說明算法和程序的正確性和有效性。</p><p>　　文獻(xiàn)[21] 用一種新的結(jié)構(gòu)分析方法-隨機(jī)位移法來分析鋼結(jié)構(gòu)的

51、屈曲問題求解步驟是先將結(jié)構(gòu)離散為一個(gè)有限自由度系統(tǒng)，然后根據(jù)有限自由度系統(tǒng)平衡穩(wěn)定性的定義和隨機(jī)位移法的基本原理，將穩(wěn)定問題轉(zhuǎn)化為無約束的多維優(yōu)化問題，最后應(yīng)用遺傳算法求出該問題相應(yīng)于最優(yōu)解的目標(biāo)函數(shù)，即得臨界載荷，該方法是可行的。</p><p>　　文獻(xiàn)[22] 本文回顧了用正交異性板理論求解加筋板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題的方法；總結(jié)了前人有關(guān)單向加筋板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究，以及板架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的近似解法。選取不同板厚、不同加

52、筋形式、不同的邊長比和不同的加強(qiáng)筋剛度比情況下的雙向加筋板結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（彎曲和剪切）理論，運(yùn)用Ansys有限元計(jì)算程序，采用板梁組合的離散模型進(jìn)行了大量的系列計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行曲線擬合；并參考相關(guān)規(guī)范，回歸出了校核雙向密加筋板結(jié)構(gòu)骨材的剖面模數(shù)和有效剪切面積的修正公式。在穩(wěn)定性方面，采用全板元離散模型，通過大量的有限元的系列計(jì)算，得到了用于考察密加筋板結(jié)構(gòu)板的穩(wěn)定性的有益結(jié)論；根據(jù)密加筋板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基于中間彈性支座

53、連續(xù)壓桿的穩(wěn)定性理論分析方法，推導(dǎo)出單向受壓密加筋板結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)時(shí)臨界載荷的實(shí)用計(jì)算公式，并與有限元的數(shù)值解進(jìn)行了大量的計(jì)算和比較。最后，對所得到的相關(guān)公式和結(jié)論用算例進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文公式形式簡單，運(yùn)用方便，結(jié)果準(zhǔn)確，可方便地應(yīng)用于密加筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。</p><p>　　文獻(xiàn)[23] 本文介紹了屈曲分析的各種方程和相關(guān)概念。</p><p>　　文獻(xiàn)[24] 本文提出樣

54、條高斯配點(diǎn)法分析加勁板殼的振動(dòng)與屈曲問題。文中應(yīng)用雙三次B樣函數(shù)作為坐標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用能量原理導(dǎo)出了系統(tǒng)方程，其中包括加勁板殼的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣及幾何剛陣，在推導(dǎo)式子的過程中，使用了高斯分片積分技術(shù)，應(yīng)用Fortran77語言編制了計(jì)算機(jī)程序并在VAX-11-780超級小型機(jī)上實(shí)施了計(jì)算，文末給出若干數(shù)值算例，計(jì)算精度滿意。</p><p>　　文獻(xiàn)[25] 由于等厚度夾層環(huán)形板大撓度計(jì)算邊界條件復(fù)雜，迄今僅有一種

55、特殊情形的數(shù)值解答，本文以三次B樣條函數(shù)為試函數(shù)，用配點(diǎn)法計(jì)算夾層環(huán)形板的非線性彎曲和屈曲。夾層板采用Reissner模型，討論了16種邊界條件，荷載可為多項(xiàng)式型的分布荷載、內(nèi)緣均布線荷載、均布邊緣力矩或均布徑向壓力及它們的組合。用非線性理論計(jì)算了夾層環(huán)形板的壓曲臨界荷載，樣條配點(diǎn)法具有精度高、編寫程序通用、輸入的數(shù)據(jù)量少以及節(jié)省計(jì)算時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　1.3本文研究的主要內(nèi)容</p>

56、<p>　　1.加筋板屈曲分析的經(jīng)驗(yàn)公式法。主要是整理和歸納收集到的計(jì)算公式。</p><p>　　2.加筋板的屈曲分析的有限元法理論。主要是研究有限元法在加筋板屈曲分析中的運(yùn)用。</p><p>　　3.加筋板的Patran有限元建模。主要是針對加筋板的有限元三維建模和分析。</p><p>　　2.加筋板屈曲分析的經(jīng)驗(yàn)公式法</p>&

57、lt;p>　　2.1整體加筋板格屈曲</p><p>　　2.1.1最小橫向剛度</p><p>　　Johnston對于圖1所示的縱橫加筋板格提出了計(jì)算加筋板所需最小橫向剛度的表達(dá)式 ： </p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　實(shí)際的縱橫剛度系數(shù)用下式表

58、示：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　式中： ——縱(橫)向剛度，</p><p>　　——板格總長(寬)，</p><p>　　——橫(縱)向子板數(shù)目 </p><p><b>　　，。</b></p><p>

59、<b>　　圖1縱橫加筋板格</b></p><p>　　如果所需最小橫向剛度小于實(shí)際橫向剛度，則整體板架不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)；否則需計(jì)算整體板架失穩(wěn)應(yīng)力。</p><p>　　2.1.2整體板格屈曲計(jì)算</p><p>　　當(dāng)實(shí)際橫向剛度小于所需的最小橫向剛度，則整體板架發(fā)生失穩(wěn)，失穩(wěn)應(yīng)力計(jì)算如下：</p><p><b

60、>　　，</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中 m ——失穩(wěn)波數(shù)；</p><p>　　——加筋板沿x及y向扭轉(zhuǎn)剛度；</p><p>　　—— 加強(qiáng)筋橫剖面面積。</p><p>　　2.2.縱向加筋板格屈曲</p>

61、<p>　　如果橫梁的剛度足以阻止整體板架發(fā)生失穩(wěn)，則我們可以取一縱向加強(qiáng)的板架進(jìn)行分析，如圖2所示。</p><p><b>　　圖2縱向加筋板 </b></p><p>　　2.2.1最小縱向剛度</p><p>　　縱向加筋板格所需最小縱向剛度的表達(dá)式為</p><p><b>　　Blei

62、ch公式：</b></p><p>　?。?-4） </p><p>　　b. Klitchieff公式：</p><p><b>　　

63、（2-5）</b></p><p><b>　　實(shí)際縱向剛度為： </b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　如果實(shí)際剛度大于所需最小縱向剛度，則縱向加筋板格不會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn)；否則需計(jì)算縱向加筋板格整體失穩(wěn)應(yīng)力。</p><p>　　2.2.2縱向加筋板

64、格整體屈曲計(jì)算</p><p>　　當(dāng)實(shí)際剛度小于所需最小縱向強(qiáng)度，則縱向加筋板格發(fā)生整體失穩(wěn)，如圖3所示，失穩(wěn)應(yīng)力計(jì)算如下：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　對寬板： （2-8）</p><p>　　對長板：

65、 （2-9）</p><p>　　板屈曲應(yīng)力： （2-10）</p><p>　　如果(加強(qiáng)筋屈服應(yīng)力)，該結(jié)構(gòu)可稱作細(xì)長體。定義為細(xì)長度。</p><p>　　2.2.3細(xì)長體縱向加筋子板格極限強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　

66、　如果細(xì)長度超過1，則計(jì)算縱向子板的有效寬度及其失穩(wěn)強(qiáng)度。縱向子板的帶板有效寬度計(jì)算如下：</p><p>　　a.假定值（如=0.8b）</p><p><b>　　b.計(jì)算下列系數(shù)：</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　c.計(jì)算值<

67、/b></p><p>　　d. （2-10）</p><p><b>　　e.用值重新計(jì)算</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　f.用b重復(fù)計(jì)算至

68、收斂。</p><p>　　則細(xì)長體縱向加筋子板格極限強(qiáng)度為：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　圖3整體失穩(wěn)</b></p><p>　　2.2.4加強(qiáng)筋扭曲(Tripping)失穩(wěn)計(jì)算</p><p>　　加強(qiáng)筋扭曲失穩(wěn)強(qiáng)度(如

69、圖4，圖5)所示為：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　式中： ——加強(qiáng)筋極慣性矩</p><p>　　b，t ——加強(qiáng)筋帶板寬度與厚度</p><p>　　——加強(qiáng)筋腹板高度與厚度</p><p>　　——加強(qiáng)筋自身慣性矩(中和軸過中心平行于腹板)<

70、/p><p>　　m ——失穩(wěn)波數(shù)，</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　圖4加強(qiáng)筋失穩(wěn) </p><p><b>　　圖5板失穩(wěn)</b></p><p>　　2.3.縱向加筋子板的極限強(qiáng)度分析</p><p

71、>　　對于非細(xì)長體縱向加筋子板，一般而言，所承受的基本載荷有三種：</p><p>　　a. 導(dǎo)致帶板受壓的垂向載荷(正彎曲)；</p><p>　　b. 導(dǎo)致加強(qiáng)筋受壓的垂向載荷(負(fù)彎曲)；</p><p><b>　　c.面內(nèi)載荷。</b></p><p>　　在這三種基本載荷的不同耦合作用下，將導(dǎo)致縱向加筋子

72、板出現(xiàn)三種不同的破壞模式，見圖6，并對應(yīng)三種極限強(qiáng)度：</p><p>　　a.模式I—加強(qiáng)筋受壓破壞(面內(nèi)受壓及負(fù)垂向載荷導(dǎo)致加強(qiáng)筋失穩(wěn))；</p><p>　　b.模式Ⅱ—帶板受壓破壞(面內(nèi)受壓及正垂向載荷導(dǎo)致帶板失穩(wěn))；</p><p>　　c.模式Ⅲ—加強(qiáng)筋翼板及帶板的聯(lián)合破壞(過大的正彎曲垂向載荷導(dǎo)致加強(qiáng)筋翼板的拉伸屈服及帶板的壓縮失穩(wěn))。</p&g

73、t;<p>　　圖6縱向加筋板的三種破壞模式</p><p>　　3.船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲分析的有限元法理論</p><p><b>　　3.1 基本原理</b></p><p>　　在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對于力學(xué)問題或其他場問題，己經(jīng)得到了基本微分方程和相應(yīng)的邊界條件。但能用解析方法求出精確解的只是方程性質(zhì)比較簡單且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的

74、少數(shù)問題。因此，人們多年來一直在尋求另一種方法，即數(shù)值解法。</p><p>　　有限元法是一種新的現(xiàn)代數(shù)值方法。它將連續(xù)的求解域離散為由有限個(gè)單元組成的組合體。這樣的組合體能用來模擬和逼近求解域。因?yàn)閱卧旧砜梢杂胁煌膸缀涡螤?，且單元間能夠按各種不同的聯(lián)結(jié)方式組合在一起，所以這個(gè)組合體可以模型化幾何形狀非常復(fù)雜的求解域。有限元法另一重要步驟是利用在每一單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來表示全求解域上未知場函數(shù)。單元的近似

75、函數(shù)通常由未知場函數(shù)在各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值以及單元插值函數(shù)表達(dá)，因此，在一個(gè)問題的有限元分析中，未知場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值就成為新的未知量，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題化為離散的有限自由度問題。一經(jīng)求出這些節(jié)點(diǎn)未知量，就可以利用插值函數(shù)確定單元組合體上的場函數(shù)。顯然，隨著單元數(shù)目的增加，即單元尺寸的縮小，解答的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元滿足收斂條件，得到的近似解最后將收斂于精確解。</p><p>　　有限元法的應(yīng)

76、用已由求解彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題；由求解靜力平衡問題擴(kuò)展到求解動(dòng)力問題、穩(wěn)定問題；從線性分析擴(kuò)展到物理、幾何和邊界的非線性分析；分析的對象也從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等其他領(lǐng)域。</p><p><b>　　3.2基本思路</b></p><p>　　有限元法的基本思路是通過連續(xù)體離散化的方法，尋求適應(yīng)控制方程并滿足邊界條件和連續(xù)條件的

77、數(shù)值方法。具體做法是：先將物體假想地分割(離散化)成許多小單元，各個(gè)單元由節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來。對于每個(gè)單元，用節(jié)點(diǎn)未知量通過插值函數(shù)近似地表征單元內(nèi)部的各種物理量，并使它們在單元內(nèi)部以積分的形式滿足問題的控制方程，從而將每個(gè)單元對整體的影響和貢獻(xiàn)，轉(zhuǎn)化到各自單元的節(jié)點(diǎn)上。然后將這些單元總裝成一個(gè)整體，并使它們滿足整個(gè)求解域的邊界條件和連續(xù)條件，得到一組有關(guān)節(jié)點(diǎn)未知量的聯(lián)立方程，方程解出后，再用插值函數(shù)和有關(guān)公式，求得物體內(nèi)部各點(diǎn)所要求的各種物

78、理量。</p><p>　　有限元分析是設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上調(diào)用有限元程序完成的。為此，必須了解所用程序的功能、限制以及支持軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境。分析者的任務(wù)是建立有限元模型、進(jìn)行有限元分析并解決分析出現(xiàn)的問題、以及計(jì)算后的數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　有限元模型數(shù)據(jù)主要包括:</p><p>　　(1)主控?cái)?shù)據(jù)，包括分析任務(wù)描述(結(jié)構(gòu)靜力分析、模態(tài)分析、時(shí)程響

79、應(yīng)分析、非線性分析、接觸分析、彈塑性分析等等)以及輸出控制數(shù)據(jù)；</p><p>　　(2)材料性質(zhì)數(shù)據(jù)，包括材料的彈性常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、極限強(qiáng)度等參數(shù)；</p><p>　　(3)荷載數(shù)據(jù)，包括基本荷載模式、工況組合等；</p><p>　　(4)有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)；</p><p>　　(5)單元類型及單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描

80、述數(shù)據(jù)；</p><p>　　(6)邊界條件和連接條件數(shù)據(jù)等。</p><p>　　3.3有限元建模要求</p><p>　　所謂建模就是根據(jù)工程分析精度要求，建立合適的能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。在連續(xù)體離散化及用有限個(gè)參數(shù)表征無限個(gè)形態(tài)自由度過程中不可避免地引入了近似。為使分析結(jié)果有足夠的精度，所建立的有限元模型必須在能量上與原連續(xù)系統(tǒng)等價(jià)。具體地應(yīng)滿足下述準(zhǔn)則

81、。</p><p>　　(1) 有限元模型應(yīng)滿足平衡條件。即結(jié)構(gòu)的整體和單元在節(jié)點(diǎn)上都保持靜力平衡。</p><p>　　(2) 變形協(xié)調(diào)條件。交匯于一點(diǎn)上的各元素在外力作用下，引起元素變形后必須仍保持交匯于一個(gè)節(jié)點(diǎn)；整個(gè)結(jié)構(gòu)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，也都應(yīng)同時(shí)滿足變形協(xié)調(diào)條件；若用協(xié)調(diào)元，元素邊界上應(yīng)滿足相應(yīng)的位移協(xié)調(diào)條件。</p><p>　　(3) 必須滿足邊界條件(包括

82、結(jié)構(gòu)邊界條件及單元的邊界條件)和材料的本構(gòu)關(guān)系。</p><p>　　(4) 剛度等價(jià)原則。有限元模型的抗彎、抗扭、抗拉及抗剪剛度應(yīng)盡可能等價(jià)。</p><p>　　(5) 單元能較好地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn)，尤其是對主要受力構(gòu)件，盡可能地不失真。單元內(nèi)部所采用的應(yīng)力和位移函數(shù)必須是當(dāng)單元大小遞減時(shí)有限元解趨于連續(xù)系統(tǒng)的精確解；避免使用非收斂元，對于波動(dòng)收斂元應(yīng)慎用。</p>

83、<p>　　(6)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)力分布、單元性質(zhì)、精度要求及計(jì)算量大小等仔細(xì)劃分網(wǎng)格。</p><p>　　(7) 在幾何上要盡可能地逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)體，特別要注意曲線與曲面的逼近問題。</p><p>　　(8) 仔細(xì)地處理載荷模型，正確地生成節(jié)點(diǎn)力，載荷的簡化不應(yīng)跨越主要受力構(gòu)件。 </p><p>　　(9) 質(zhì)量的堆聚應(yīng)滿足質(zhì)量質(zhì)心、質(zhì)心矩及慣性矩

84、等效要求。</p><p>　　(10) 當(dāng)量阻尼折算應(yīng)符合能量等價(jià)要求。</p><p>　　（11）超單元的劃分盡可能單級化并使剩余結(jié)構(gòu)最小。</p><p>　　3.4有限元模型性能指標(biāo)</p><p>　　有限元模型是借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析的離散近似的模型。對于線性靜力問題，它包括有限元網(wǎng)格的離散點(diǎn)組成的近似幾何模型，由材料力學(xué)特性數(shù)據(jù)和

85、單元?jiǎng)偠染仃嚤磉_(dá)的變形應(yīng)力平衡近似，以及外載荷近似和邊界條件近似的總體。因此，即便理論模型是準(zhǔn)確的，模型誤差總是難免的。要控制和減小誤差，有限元模型應(yīng)滿足下述性能指標(biāo)。</p><p>　　(1)可靠性：簡化模型的變形和受力及力的傳遞等應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致。例如，有限元模型中的桿、梁、板(殼)、平面應(yīng)力、平面應(yīng)變以及連接條件和邊界條件等，均應(yīng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。確定模型的可靠性可用下列準(zhǔn)則判斷:物理力學(xué)特性保持;相應(yīng)的

86、數(shù)學(xué)特性保持。</p><p>　　(2)精確性：有限元解的近似誤差與分片差值函數(shù)的逼近誤差成正比。因此，在建立有限元模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)問題的性質(zhì)和精度要求，選用一階精度元，二階精度元和高階精度元等不同類型的單元。</p><p>　　(3)魯棒性：其確切含義是指有限元方法對有限元模型的幾何形狀變化，對于材料參數(shù)的變化(例如泊松比從接近不可壓縮變成不可壓縮)以及對于從中厚度板模型變成薄板的板厚

87、變化的依賴性：也是有限元法的可靠性對上述變化的敏感程度。</p><p>　　(4)計(jì)算成本的經(jīng)濟(jì)性：計(jì)算經(jīng)濟(jì)性問題不僅與算法的復(fù)雜性、算法結(jié)構(gòu)、程序的優(yōu)化程序以及總的算術(shù)運(yùn)算次數(shù)相關(guān)，而且在精度確定下，與有限元建模的質(zhì)量有很大的關(guān)系。選用單元時(shí)，應(yīng)盡量選取在頂點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)的單元。</p><p>　　除了節(jié)點(diǎn)自由度相對布置對計(jì)算效率的影響外，單元剖分全局性的疏密配置更為重要。如在應(yīng)力集中部

88、位，為達(dá)到好的計(jì)算效果，應(yīng)該布置較密的網(wǎng)格，以刻畫位移變化梯度較大的實(shí)際情況。自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用可以很好地解決全局疏密合理配置問題。</p><p>　　3.5有限元法的應(yīng)用</p><p><b>　?。?）整船強(qiáng)度分析</b></p><p>　　90年代起，造船界對大開口船采用了基于整船有限元模型的彎扭強(qiáng)度計(jì)算法，使船體結(jié)構(gòu)分析上升到一

89、個(gè)新水平。國外先進(jìn)船級社對大型集裝箱船的總縱強(qiáng)度計(jì)算，通常采用動(dòng)態(tài)載荷法進(jìn)行整船有限元直接計(jì)算，建立和處理針對縱向主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估的足夠精確的整船結(jié)構(gòu)有限元模型與質(zhì)量模型是此有限元技術(shù)的關(guān)鍵。</p><p>　　對于整船的有限元分析，在有限元建模過程中主要涉及三個(gè)重要問題：一是三維船體有限元模型的建立；一是邊界條件的處理；三是對船體有限元模型的加載。</p><p>　?。?）船舶上層建

90、筑計(jì)算模型分析</p><p>　　在船舶結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段不可能也不需要對整船作完整的應(yīng)力分析，因此有必要對上層建筑分析進(jìn)行簡化。</p><p>　?。?）分析船舶靜力學(xué)問題</p><p>　　選取典型船舶板架，對開口和不開口的板分別進(jìn)行了特征值屈曲分析和極限承壓屈曲分析，可知：板的屈曲模式所對應(yīng)的屈曲壓力不一定是最低的；高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)了梁腹板平面外的失穩(wěn)；大開日

91、邊緣構(gòu)件的側(cè)向剛度大大削弱；縱梁的理論臨界應(yīng)力降低。</p><p>　　艙口蓋所承受的側(cè)壓力可轉(zhuǎn)化為靜力進(jìn)行分析。人們已經(jīng)用一系列大撓度彈塑性有限元方法對承受側(cè)壓力的散貨船艙口蓋進(jìn)行分析，對折疊式和側(cè)移式兩種類型的艙口蓋進(jìn)行碰撞的受力分析，并在用有限元方法進(jìn)行艙口蓋破壞分析的基礎(chǔ)上提出了一種可以有效估算承受側(cè)壓力的散貨船艙口蓋的破壞強(qiáng)度的預(yù)測方法。</p><p>　　在船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

92、時(shí)，通常把船外水壓力載荷分解為船外波浪靜水壓力和波浪的附加動(dòng)壓力。其中波浪靜壓力的處理比較復(fù)雜。有限元方法介紹了一種船舶分布外載荷自動(dòng)離散化的方法，可精確、合理地求出船舶有限元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的等效節(jié)點(diǎn)力。</p><p>　?。?）用有限元方法分析船舶動(dòng)力學(xué)問題</p><p>　　1.有限元方法在船舶撞擊分析中的應(yīng)用</p><p>　　當(dāng)前，有限元方法應(yīng)用于船舶

93、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的線性彈性問題己經(jīng)得到較好的解決，人們把更多的目光投向復(fù)雜的非線性彈塑性結(jié)構(gòu)分析問題。船舶結(jié)構(gòu)在碰撞中的變形就是這種非線性彈塑性的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，碰撞的過程往往是一瞬間完成的，具有明顯的動(dòng)力效應(yīng)，當(dāng)研究追蹤到結(jié)構(gòu)破損時(shí)，問題將變成結(jié)構(gòu)塑性動(dòng)力學(xué)課題。</p><p>　　近來，船舶結(jié)構(gòu)碰撞和觸礁損傷的詳細(xì)模擬已經(jīng)可以用有限元方法實(shí)現(xiàn)，譬如，剛體運(yùn)動(dòng)和非線性結(jié)構(gòu)響應(yīng)都己經(jīng)可以用有限元方法計(jì)算。另一方面，簡化的解析

94、方法也適用于一系列定性研究，然而它必須建立在特定情況的基本前提上。通過用有限元方法分析船舶碰撞的幾個(gè)例子，指出典型的簡化解析方法中會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生的七個(gè)不確定因素，這些因素都很可能較大地影響船舶的防撞性設(shè)計(jì)。</p><p>　　采用有限元模型計(jì)算了船舶機(jī)艙結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)，應(yīng)用空間有限元模型研究了船體的振動(dòng)特性，采用模態(tài)疊加法研究了其響應(yīng)。動(dòng)力分析的計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在短時(shí)間沖擊時(shí)的最大應(yīng)力和最大位移略大于結(jié)構(gòu)在長

95、時(shí)間沖擊的響應(yīng)，更遠(yuǎn)大于靜力作用下的響應(yīng)，因此對結(jié)構(gòu)在短時(shí)間沖擊的工況要更加重視，而對結(jié)構(gòu)的局部進(jìn)行加強(qiáng)，可以明顯地改善結(jié)構(gòu)的受力情況。</p><p>　　考慮到板材本身的彎曲作用相對于交叉梁系而言較小，并目變形的彈性階段相對較短，因此將板的作用折算到梁的帶板上去，從而將船體板梁組合結(jié)構(gòu)中板單元簡化成膜單元。文章采用非線性有限元的方法，考慮了材料非線性、大變形效應(yīng)和彈性效應(yīng)，研究了在質(zhì)量沖擊載荷下結(jié)構(gòu)從彈塑性變

96、形到結(jié)構(gòu)撕裂破壞的動(dòng)態(tài)力學(xué)過程。</p><p>　　2.有限元方法在船舶振動(dòng)分析中的應(yīng)用</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和大型有限元計(jì)算程序的出現(xiàn)，可以建立復(fù)雜的三維計(jì)算模型來模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，但正確的計(jì)算結(jié)果還取決于計(jì)算模型的正確建立。對于一個(gè)龐大而又復(fù)雜的艦船結(jié)構(gòu)，不可避免地存在著許多許多局部模態(tài)，這些局部模態(tài)會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來較大的影響。主從自由度方法的應(yīng)用可以較好地解決這一問

97、題。</p><p>　　模態(tài)綜合法也是研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重要方法之一：Hurty 提出了固定界面模態(tài)綜合法；Hou提出自由截面模態(tài)綜合法; MacNcal提出混和模態(tài)綜合法。上述方法都要求任何兩子結(jié)構(gòu)之間是剛性聯(lián)接，然而工程上許多結(jié)構(gòu)不僅有剛性聯(lián)接，而目有彈性聯(lián)接，如裝有減震器的結(jié)構(gòu)，其各子結(jié)構(gòu)截面位移不具協(xié)調(diào)性，用傳統(tǒng)的模態(tài)綜合法對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析受到限制。</p><p>　?。?）分

98、析船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中問題</p><p>　　應(yīng)力集中通常是由于船體結(jié)構(gòu)不連續(xù)而引起的。集裝箱船由于甲板大開口，使船體水平彎曲、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、橫向強(qiáng)度在其總強(qiáng)度中所占的比例明顯上升。在船體彎扭變形時(shí)，甲板上的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力占有較大比例，這兩類反對稱應(yīng)力與彎曲正應(yīng)力的聯(lián)合作用，造成了集裝箱船的艙口角隅應(yīng)力集中嚴(yán)重，特別在后艙口角隅處最為嚴(yán)重。</p><p>　　（6）分析船舶結(jié)構(gòu)中的疲勞強(qiáng)

99、度問題</p><p>　　一般用于計(jì)算船舶構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的方法有S-N曲線方法和斷裂力學(xué)方法，其中，S-N曲線方法在目前使用較為廣泛，但仍存在較多問題。S-N曲線方法中的熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算方法中存在一些不確定因素，造成了用有限元方法進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析時(shí)結(jié)果可能存在巨大的誤差。研究表明，熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的不同是產(chǎn)生這些誤差的一個(gè)重要原因。用有限元方法進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)分析時(shí)，其結(jié)果受到所建立的有限元模型的影響，譬如受到網(wǎng)

100、格尺寸、單元類型、插值方法以及模型簡化等的影響。</p><p>　　（7）分析靠泊船只的系纜系統(tǒng)</p><p>　　對于靠泊船只的系纜系統(tǒng)，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)是與船舶動(dòng)力學(xué)方法相結(jié)合來分析系纜繩的受力及運(yùn)動(dòng)。此方法適用于淺水環(huán)境，在深水環(huán)境中的使用則精度不足。為懸浮在水中的泊船系纜繩提出一個(gè)新的有限元模型來模擬一個(gè)經(jīng)適當(dāng)簡化的深水多點(diǎn)系泊系統(tǒng)。作者根據(jù)Morison方程模擬施加在系纜

101、繩上的水動(dòng)力載荷，并考慮了阻尼和摩擦的影響，在傳統(tǒng)的系纜繩運(yùn)動(dòng)簡化方程的基礎(chǔ)上，沿著對稱雙曲線系統(tǒng)的局部解存在目唯一的思路，為系纜繩的初始邊界條件問題提出了一個(gè)總體解的假設(shè)。</p><p>　?。?）在船舶流—固藕合分析中的應(yīng)用</p><p>　　流體一固體禍合分析是廣泛存在于水利梅洋船舶以及航天航空等許多工程領(lǐng)域中的重要課題。由于問題的復(fù)雜性，其計(jì)算模型和計(jì)算方法都需要進(jìn)一步研究。譬

102、如，在船舶領(lǐng)域中如何設(shè)計(jì)一個(gè)合理的流體一固體禍合模型，構(gòu)造流體與固體接觸面上的接觸單元，從而求出模型的內(nèi)力，實(shí)現(xiàn)流體一固體禍合系統(tǒng)分析。</p><p>　　對高速船建立了一個(gè)桿一膜和梁一膜的一維有限元船體模型。對于船體結(jié)構(gòu)部分采用二維有限元方法計(jì)算，流體部分采用考慮線性自由表面條件和采用高頻極限近似兩種二維邊界元方法計(jì)算，完成了流體一固體禍合分析。</p><p>　　（9）自適應(yīng)網(wǎng)格和

103、自適應(yīng)時(shí)間步長的技術(shù)</p><p>　　一般而言，船舶和海洋平臺的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是加筋板殼結(jié)構(gòu)，并目都承受著靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，這些載荷所引起的響應(yīng)值的計(jì)算精度在很大程度上影響著船舶和海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。</p><p>　　自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分和自適應(yīng)的時(shí)間誤差估計(jì)方法，可以使網(wǎng)格和時(shí)間步長的優(yōu)化達(dá)到所需的精度，并目耗費(fèi)盡量少的計(jì)算機(jī)資源。該方法對需要細(xì)分的單元采用平分或二等分的

104、方法進(jìn)行局部細(xì)分，并在時(shí)間誤差估計(jì)的基礎(chǔ)上使時(shí)間步長自適應(yīng)變化。這種方法可以求出加筋的板殼構(gòu)件在靜力和動(dòng)力載荷作用下的響應(yīng)值，其結(jié)果較為精確，而目所耗費(fèi)的計(jì)算機(jī)資源反倒減少。</p><p>　?。?0）與人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合應(yīng)用</p><p>　　由于損傷檢測是一個(gè)逆運(yùn)算過程，其中又涉及到非線性與解的不唯一等問題，因此通常無法找到簡單可行的算法。人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)與有限元方法相結(jié)合應(yīng)

105、用給這一難題帶來了新的解決方法。</p><p>　　提出了一種梁形結(jié)構(gòu)損傷檢測的算法。該算法用有限元方法求出結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)模態(tài)曲線，并把它們作為全局(固有頻率的改變)和局部(振動(dòng)模態(tài)曲線)的振動(dòng)分析數(shù)據(jù)輸入人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，進(jìn)而預(yù)測梁形結(jié)構(gòu)中損傷所發(fā)生的位置及其嚴(yán)重程度。作為全局變量的固有頻率的變化可以判斷損傷的存在，而作為局部變量的振動(dòng)模態(tài)曲線則可以判斷損傷發(fā)生的位置并估算其破壞程度。</p

106、><p>　?。?1）與面向?qū)ο蠓椒ㄏ嘟Y(jié)合在船舶結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與展望</p><p>　　船體結(jié)構(gòu)本身是由殼板、型材等構(gòu)件組成的組合體，其力學(xué)模型可以抽象為大型空間薄壁結(jié)構(gòu)。在船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可將船體人為地分成若干平面板架系統(tǒng)，用各類單元(板殼單元、平面應(yīng)力膜單元、桿單元、梁單元等)來直接離散船體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立合理的有限元模型。</p><p>　　有限元方法在按層次

107、分類和聚合方面與面向?qū)ο蠓椒ㄓ性S多相似之處。由于具有了面向?qū)ο蠓椒ǖ奶攸c(diǎn)，有限元方法同樣具有可重用性和可擴(kuò)展性。當(dāng)前，在這一思想的引導(dǎo)下，把面向?qū)ο蠓椒☉?yīng)用于船舶有限元計(jì)算己成為船舶領(lǐng)域的一個(gè)研究方向，用以實(shí)現(xiàn)船舶有限元的參數(shù)化建模，形成快速建模系統(tǒng)。</p><p>　　4.船體結(jié)構(gòu)加筋板屈曲的Patran建模與分析</p><p><b>　　4.1 建模步驟</b&g

108、t;</p><p>　　創(chuàng)建或者讀入幾何模型。</p><p><b>　　劃分有限元模型。</b></p><p>　　設(shè)定邊界條件及施加載荷。</p><p><b>　　定義材料屬性。</b></p><p><b>　　定義單元特性。</b>&

109、lt;/p><p><b>　　定義屈曲分析類型。</b></p><p>　　使用MSC.Nastran求解。</p><p>　　用屈曲分析插件進(jìn)行分析。</p><p><b>　　查看分析結(jié)果。</b></p><p>　　4.2 建模關(guān)鍵問題</p>&l

110、t;p><b>　　全文單位為mm，N</b></p><p>　　板幾何建模完成后消點(diǎn)</p><p>　　彈性模量210000</p><p><b>　　屈服因子235</b></p><p><b>　　邊界條件和載荷研究</b></p><p

111、>　　加筋板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，主要是考慮當(dāng)船體梁發(fā)生中垂或中拱時(shí)縱向壓力作用下的穩(wěn)定性問題，所以主要是考慮在面內(nèi)載荷作用下的密加筋板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。一般的密加筋板結(jié)構(gòu)的邊界都是由強(qiáng)力構(gòu)件所支承，其縱向邊界受到縱艙壁或縱桁的支持，其橫向邊界受到強(qiáng)橫梁或橫艙壁的支持。在利用Patran進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，假定時(shí)：1、2、3、4、6這5個(gè)方向的自由度為零；時(shí)：2、3、4、6這4個(gè)方向的自由度為零；、時(shí)：3方向的自由度為零。所施加的載荷是