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结构单元法的油船强度有限元分析

发布于:2019-11-22 19:01
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      油船是船舶中一种相当重要的船型,而油船发生海损事故造成的损失和危险性远高于货船,对海洋污染和所承担的索赔可能远高于油船本身的价值当前,油船已越来越大,出现了巨型油轮甚至超级油轮,故如何提高油船结构方面的总体强度以保障油船的安全性,一直是航运界比较关注的问题传统船舶结构设计准则,是基于线弹性理论以满足总纵强度下的最小剖面模数为依据的安全系数法,这种方法过于保守,低估了船体的安全性能所以,研究船体极限承载能力、评估船体结构的真正安全余量,具有重要的实际意义。
      LSUM其基本出发点是为了减少结构节点自由度数而采用大型结构单元来模拟一个复杂系统,这些单元的性能通过精确的理论分标解析推导、有限元分析或试验来得到,从而给出每个结构单元可能的或预期的失效模式(如单元构件的屈曲或局部屈服)的理想化公式,推导出失效前与失效后不同状态时的刚度矩陈分析时采用载荷增量法,在任意载荷水平下,组装各单元刚度矩阵从而得到结构整体刚度阵,加上边界条件及载荷增量,计算出对应的结构响应依赖局部失效变形及单元内力,进一步修正结构刚度阵并逐步增加载荷直至达到极限强度一旦建立了失效条件、不同类型的单元刚度矩阵,就可以很方便地模拟与分析各种复杂结构问题。基于这一理论开发了用于解决大型结构极限强度问题的计算程序ALPS/ISUM,给出了三种理想单元库(即理想化梁柱元、理想化无筋板元和理想化加筋板元),相应考虑了这些单元的非线性性能及失效模式(由拉伸应力引起的连续塑性变形;大变形性能及面内刚度的折减;柔性破坏及破坏后性能;拉伸断裂及断裂后性能),并成功地应用于分析各种类型的船体和构件极限承载能力。
      本文利用ALPS/ISUM程序对一系列的油船进行了极限强度计算,并在此基础上研究油船的主尺度与极限强度之间的关系,使船舶设计师能够在设计初始阶段预估油船的极限强度值,从而为合理确定船体构件尺寸等后续的设计阶段奠定基础。   
      该方法是以塑性铰为基本思想,在弹性变形阶段应用常规有限元方法,而塑性变形则认为是集中在单元节点处因此这种方法又称为“塑性节点法”在分析中将采用增量形式,塑性节点法是将一种塑性变形的新原理引入到有限元方法电该原理具有以下假设:(1)一个单元是否进入塑性状态,是通过判断在单元中的设计校核点处的应力或残余应力是否满足屈服条件来决定;(2)屈服条件可以表示为节点力、塑性势的函数;塑性变形是仅仅集中在节点处,而单元内部仍然保持弹性,弹性刚度矩陈当单元发生大变形时,用包括几何非线性的正切弹性刚度矩阵K。在这个理论中,屈服条件只在组成整个结构的单个单元的每个节点处定义当一个单元中第1个节点处的合成应力满足该点适当的屈服条件时,这个节点就变成塑性节。
      当材料受到加载时,其应力超过初始屈服应力后出现塑性变形,若进一步加载,会使屈服应力得到提高,这种现象称为硬化对于复杂应力状态,硬化后的新屈服面就是加载表面,若要进一步发生塑性变形,应力就要达到加载面上一般情况下,加载面不仅取决于应力和塑性应变,而且还有赖于整个塑性应变过程。


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