一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法技术

本发明专利技术提供了一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，属于船舶结构工程的技术领域。该方法包括以下几个步骤，第一步，建立甲板纵骨梁柱失稳力学模型，第二步，建立悬臂横梁动力学方程，确定最低阶频率计算公式；第三步，建立悬臂横梁固定端扭转刚度计算模型，并确定扭转刚度；第四步，确定悬臂横梁对甲板纵骨的支撑刚度；第五步，确定悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲载荷；第六步，悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷；第七步，结合船体梁剩余强度影响因素，指导船舶结构设计；本发明专利技术提供快速确定大范围碰撞破损，甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，揭示大范围破损后甲板板架极限强度影响规律，指导船体梁剩余强度设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶结构工程的
，具体是涉及一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法。
技术介绍
对船体破损剩余强度的精确计算和合理评估能有效保证船舶结构设计的合理性以及安全性，确定悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲载荷是确定破损船体梁极限强度的关键。国际船级社联盟(InternationalAssociationofClassificationSocieties，简称IACS)，在2016年实施的HCSR规范中增加了船体梁破损后的剩余强度校核的内容。HCSR规定了散货船和油船残存极限强度计算的碰撞的破损范围的深度和高度。但由于未规定破口的长度，通常默认为一个主要支撑构件的间距，导致理论破口长度与事实上的破损长度相差甚远。挪威船级社(DNV)的研究表明，碰撞破损的破口长度可能达到0.1L(L为船体总长)，如按此比列计算，破口将跨越约3～10个横向框架，在如此大的破口区域内，舷侧结构的破损导致甲板横梁支座刚度大大减弱，将难以满足横梁的最小刚度要求，出现甲板整体失稳的危险。目前,船舶结构力学领域缺乏快速确定悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷的计算模型和理论方法。船体大范围破损的甲板屈曲载荷主要通过非线性有限元方法计算。但非线性有限元法对计算机、软件操作人员的要求较高，且需花费大量的建模和计算时间，并且无法获得大范围碰撞破损的船体板架纵骨的稳定性计算公式和大范围破损板架极限强度的影响规律。给船体结构设计和性能评估造成了不便，对船体梁剩余强度的计算精度和效率低下，影响了船舶设计的质量和精度。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，现旨在提供一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，船舶在大范围碰撞破损后，将破损范围内甲板简化成一端弹性固定的悬臂梁，建立船体大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的力学模型；通过求解弹性固定的悬臂横梁的动力学方程获得其最低阶频率，再进行级数展开和简化获得最低阶频率的计算公式；通过将横梁弹性固定端的结构简化为两端固支的等值薄壁梁，建立横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型，并根据薄壁杆件扭转约束问题的扭转角与复杂弯曲挠度的对应关系，确定弹性固定端的扭转刚度；利用稳定性问题与横梁自由振动方程的相似性，确定弹性固定的悬臂横梁对甲板纵骨支撑刚度；依据杆系稳定性理论，获得弹性支座的刚性系数；依据结构力学，获得多跨板架纵骨欧拉应力与纵骨作为单跨杆是的欧拉应力之比，从而确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲载荷；最后通过塑性修正，确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲的临界载荷；本专利技术解决了现有船舶结构力学领域缺乏快速确定悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲的临界载荷的计算模型和理论方法的问题，揭示船体大范围破损后板架极限强度的影响规律，提高船体梁剩余强度的计算精度和效率，可指导船体梁剩余强度的设计，提高船舶结构的安全性。具体技术方案如下：一种悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，包括以下几个步骤：第一步，建立船体大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的力学模型；当船舶发生严重碰撞后，船体舷侧出现大范围破损，舷侧破损的长度范围在四个强框架以上，舷侧板架对甲板横梁的支撑消失，横梁的变形大于完整状态下两端支撑的横梁的变形，结合横梁的变形情况以及板架的受力特点，将甲板板架简化为三边支持，一边自由的板架；并且可将破损范围内的甲板横梁简化成一端弹性固定、另一端自由的悬臂梁，将破损范围内甲板纵骨屈曲问题转化为由弹性固定的悬臂横梁支撑的多跨失稳问题，建立大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型；第二步，建立弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，分析确定悬臂横梁的最低阶频率的计算公式；根据建立的大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型，列出弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，通过求解该方程获得弹性悬臂横梁的最低阶频率，并进行级数展开和简化，获得其最低阶频率的计算公式；第三步，建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度计算模型，确定悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；(1)针对船体上悬臂横梁的根部结构一般为船体侧壁或纵桁，将悬臂横梁的固定端结构简化为两端固支的等值薄壁梁，根据薄壁梁的特性建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度计算模型；(2)根据建立的悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型，并依据薄壁杆件扭转约束问题的扭转角与复杂弯曲挠度的对应关系，求解悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；当悬臂梁刚性固定时，此时刚度系数k取大值，而c≈0；悬臂梁弹性固定时，可根据实际的支撑结构的抗扭刚度确定悬臂梁弹性固定端的扭转刚度；第四步，确定悬臂横梁对甲板纵骨的支撑刚度；根据稳定性问题和横梁自由振动方程的相似性，并结合此前确定的悬臂横梁最低阶频率的计算公式，将悬臂横梁的最低阶频率代入相应的计算公式中，得到弹性固定的悬臂横梁对甲板纵骨的支撑刚度；第五步，确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱的屈曲载荷；对于船体发生严重碰撞的情况，破损范围超过五跨时，在计算得到弹性支座的刚性系数X(λ)的值之后得到对应的无量纲参数λ，再结合多跨失稳与单跨失稳的关系，得到适用于多跨失稳甲板纵骨欧拉应力σE1的公式，进而求得大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲载荷σE1；第六步，确定大范围碰撞破损后，悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷；在得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲载荷σE1之后，对载荷σE1进行塑性修正，得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷σC1；第七步，结合船体梁剩余强度的影响因素分析，指导船舶结构设计；选取实际碰撞后的散货船上部甲板板架为模型，分析极限载荷的影响因素，确定破损长度、纵骨截面大小、纵骨间距、横梁截面大小、横梁间距、横梁跨距(即板架宽度)以及板厚对剩余强度的影响，明确船舶结构设计的重点，指导船舶结构设计。上述技术方案的积极效果是：1、涵盖了船舶遭受了严重的碰撞，舷侧破损的长度范围在四个强框架以上，甲板边缘的支撑严重损坏的情况，考虑范围更广，适应性更高；2、通过简单建模和数据运算便可得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲的临界载荷，大幅度提高船体梁剩余强度计算的效率和精度；3、可通过确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲的临界载荷，获得船体梁剩余强度的影响因素，指导船舶设计，使船舶设计更加安全、合理和经济。附图说明图1为本专利技术的一种悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲临界载荷确定方法的实施例的流程图；图2为本专利技术的碰撞破损船体梁的屈曲极限状态(20倍)的实例图；图3为本专利技术的大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型；图4为本专利技术的悬臂横梁固定端的扭转刚度的计算模型；图5为本专利技术的悬臂梁上纵骨极限载荷与横梁跨距的关系图；图6为本专利技术的悬臂梁上纵骨极限载荷与横梁截面惯性矩的关系图；图7为本专利技术的悬臂梁上纵骨极限载荷与纵梁扇形惯性矩的关系图；图8为本专利技术的悬臂梁上纵骨极限载荷与纵桁长度的关系图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1至附图8对本专利技术提供的技术方案作具体阐述，但以下内容不作为本专利技术的限定。本专利技术是一种悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，图1为本专利技术的一种悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，包括以下几个步骤：第一步，建立船体大范围碰撞破损后甲板纵骨梁柱失稳的力学模型；当船舶发生严重碰撞后，船体舷侧出现大范围破损，舷侧破损的长度范围在四个强框架以上，舷侧板架对甲板横梁的支撑消失，横梁的变形大于完整状态下两端支撑的横梁的变形，结合横梁的变形情况以及板架的受力特点，将甲板板架简化为三边支持，一边自由的板架；并且可将破损范围内的甲板横梁简化成一端弹性固定、另一端自由的悬臂梁，将破损范围内甲板纵骨屈曲问题转化为由弹性固定的悬臂横梁支撑的多跨失稳问题，建立大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型；第二步，建立弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，分析确定悬臂横梁的最低阶频率的计算公式；根据建立的大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型，列出弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，通过求解该方程获得弹性悬臂横梁的最低阶频率，再进行级数展开和简化，获得其最低阶频率的计算公式；第三步，建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度计算模型，确定悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；(1)针对船体上悬臂横梁的根部结构一般为船体侧壁或纵桁，将悬臂横梁的固定端结构简化为两端固支的等值薄壁梁，并根据薄壁梁的特性建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型；(2)根据建立的悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型，并依据薄壁杆件扭转约束问题的扭转角与复杂弯曲挠度的对应关系，确定悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；当悬臂梁刚性固定时，此时刚度系数k取大值，而c≈0；悬臂梁弹性固定时，可根据实际的支撑结构的抗扭刚度确定悬臂梁弹性固定端的扭转刚度；第四步，确定悬臂横梁对甲板纵骨的支撑刚度；根据稳定性问题和横梁自由振动方程的相似性，并结合此前确定的悬臂横梁最低阶频率的计算公式，将悬臂横梁的最低阶频率代入相应的计算公式中，得到弹性固定的悬臂横梁对板架纵骨的支撑刚度；第五步，确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱的屈曲载荷；对于船体发生严重碰撞的情况，破损范围超过五跨时，在计算得到弹性支座的刚性系数X(λ)的值之后得到对应的无量纲参数λ，再结合多跨失稳与单跨失稳的关系，得到适用于多跨失稳甲板纵骨欧拉应力σE1的公式，进而求得大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲载荷σE1；第六步，确定大范围碰撞破损后，悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷；在得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲载荷σE1之后，对载荷σE1进行塑性修正，得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷σC1；第七步，结合船体梁剩余强度的影响因素，指导船舶结构设计；选取实际碰撞后的散货船上部甲板板架为模型，明确极限载荷的影响因素，确定破损长度、纵骨截面大小、纵骨间距、横梁截面大小、横梁间距、横梁跨距(即板架宽度)以及板厚对剩余强度的影响，明确船舶结构设计的重点，指导船舶结构设计。...

【技术特征摘要】
1.一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，包括以下几个步骤：第一步，建立船体大范围碰撞破损后甲板纵骨梁柱失稳的力学模型；当船舶发生严重碰撞后，船体舷侧出现大范围破损，舷侧破损的长度范围在四个强框架以上，舷侧板架对甲板横梁的支撑消失，横梁的变形大于完整状态下两端支撑的横梁的变形，结合横梁的变形情况以及板架的受力特点，将甲板板架简化为三边支持，一边自由的板架；并且可将破损范围内的甲板横梁简化成一端弹性固定、另一端自由的悬臂梁，将破损范围内甲板纵骨屈曲问题转化为由弹性固定的悬臂横梁支撑的多跨失稳问题，建立大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型；第二步，建立弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，分析确定悬臂横梁的最低阶频率的计算公式；根据建立的大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型，列出弹性固定的悬臂横梁的动力学方程，通过求解该方程获得弹性悬臂横梁的最低阶频率，再进行级数展开和简化，获得其最低阶频率的计算公式；第三步，建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度计算模型，确定悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；(1)针对船体上悬臂横梁的根部结构一般为船体侧壁或纵桁，将悬臂横梁的固定端结构简化为两端固支的等值薄壁梁，并根据薄壁梁的特性建立悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型；(2)根据建立的悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度的计算模型，并依据薄壁杆件扭转约束问题的扭转角与复杂弯曲挠度的对应关系，确定悬臂横梁弹性固定端的扭转刚度；当悬臂梁刚性固定时，此时刚度系数k取大值，而c≈0；悬臂梁弹性固定时，可根据实际的支撑结构的抗扭刚度确定悬臂梁弹性固定端的扭转刚度；第四步，确定悬臂横梁对甲板纵骨的支撑刚度；根据稳定性问题和横梁自由振动方程的相似性，并结合此前确定的悬臂横梁最低阶频率的计算公式，将悬臂横梁的最低阶频率代入相应的计算公式中，得到弹性固定的悬臂横梁对板架纵骨的支撑刚度；第五步，确定大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱的屈曲载荷；对于船体发生严重碰撞的情况，破损范围超过五跨时，在计算得到弹性支座的刚性系数X(λ)的值之后得到对应的无量纲参数λ，再结合多跨失稳与单跨失稳的关系，得到适用于多跨失稳甲板纵骨欧拉应力σE1的公式，进而求得大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的纵骨梁柱屈曲载荷σE1；第六步，确定大范围碰撞破损后，悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷；在得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲载荷σE1之后，对载荷σE1进行塑性修正，得到大范围碰撞破损后悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲的临界载荷σC1；第七步，结合船体梁剩余强度的影响因素，指导船舶结构设计；选取实际碰撞后的散货船上部甲板板架为模型，明确极限载荷的影响因素，确定破损长度、纵骨截面大小、纵骨间距、横梁截面大小、横梁间距、横梁跨距(即板架宽度)以及板厚对剩余强度的影响，明确船舶结构设计的重点，指导船舶结构设计。2.根据权利要求1所述的一种悬臂横梁支撑的甲板纵骨梁柱屈曲临界载荷的确定方法，其中，所述悬臂横梁的最低阶频率计算公式可通过以下方法获得：根据大范围碰撞后甲板纵骨梁柱失稳的计算模型，列出弹性固定的悬臂横梁的无阻尼、小幅振动的自由振动的运动方程：EI∂4v(x,t)∂x4+MB∂2v(x,t)∂t2=0---(1)]]>上式中，I为横梁截面惯性矩，E为材料的弹性模量，B为横梁跨距，M为横梁质量；运用分离变量法，设(1)式的通解形式为：v(x,t)＝φ(x)Y(t)(2)对于一端弹性固定，另一端自由的悬臂梁而言，此时悬臂梁应满足的边界条件为：φ(0)＝0M(0)＝kφ'(0)＝EIφ\(0)M(B)＝EIφ\(0)＝0V(B)＝EIφ\(0)＝0(3)上式中，B为横梁跨距,k为刚度系数；将设定的(1)式通解代入悬臂梁应满足的边界条件(3)中后，可得到特征方程如下：(cosaB+coshaB+2aEIksinhaB)(sinaB+sinhaB)(sinhaB-sinaB+2aEIkcoshaB)(cosaB+coshaB)A1A2=00---(4)]]>上式中，为特征向量，k为刚度系数，而a又被定义为：a4=Mω12EIb---(5)]]>上式中，I为横梁截面惯性矩，E为材料的弹性模量，M为横梁质量；令(4)式的行列式为零，并结合式(5)，获得悬臂梁的频率方程为：1+coshxcosx＝cx(coshxsinx-sinhxcosx)(6)上式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：万琪，贺远松，王福花，吴剑国，马剑，
申请(专利权)人：中国船舶工业集团公司第七零八研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31