15万吨散货船的屈曲强度校核.doc

第1章 绪论 1.1 课题研究的背景、目的和必要性 30%，在世界海运市场上起着非常重要的作用，扮演着举足轻重的角色。但是，由于散货船的装载以及受力特点导致其船舶结构比其他类型船舶更容易疲劳老化，事故概率比较大；特别是老龄船，最近几年出现的海运事故呈快速上升趋势。1980年至1995年期间，143艘2万载重吨以上的散货船发生严重的海损事故，其中72艘沉没，导致916人死亡。因此，散货船安全引起了国际海事组织的高度重视；同时也引起了老龄船船东和经营管理者的重视[1]。 由于散货船市场上有5000艘船舶面临船龄老化,近几年将迎来运力拆解的高峰,这对于新造散货船市场极为利好[2]。其中，安全性是船舶制造的重中之重。为保证船体结构的安全性,需考虑船体结构在极端载荷作用下其强度问题满足要求。对整个船体进行有限元分析,同时考虑几何和材料非线性,无疑可以得到船体的极限强度值,但这需要花费大量的人力资源、资金和计算时间。因此有必要开发计算船体结构总纵极限强度的简化方法。世界各国船级社都有各自的相关规范，中国船级社(CCS)给出了《散货船结构强度直接计算分析指南》[3]，该指南给出了计算散货船结构强度的简便方法。 因此，本文主要全面理解和掌握CCS《散货船结构强度直接计算分析指南》的编写理念和要求，在此基础上，以一条万吨散货船为例，按照CCS直接计算分析指南的要求建立三舱段有限元模型，进行船体结构强度直接计算，通过对该实船三舱段有限元模型的强度分析，对其所涉及的原理进行深入的研究，并分析计算六种不同工况以及各工况下船体构件特点。国际船级社协会(IACS),共同规范于2006年4月1日正式生效。船舶结构共同规范的诞生,目的是使各船级社的规范在结构尺寸上取得一致,消除IACS成员中在船舶结构最小尺寸上的竞争,同时使各船级社的经验共享。制定统一的船舶建造标准,还可以抵制低标准船舶的建造,满足船舶航运界对“坚固、耐用”船舶的需求,更好地保证海上安全和保护海洋环境,追求高品质航运[4]。所以，本文还将CCS的直接计算指南与共同规范进行分析比较[5]。 1.2 课题研究的现状 船体强度[]是研究船体结构安全性的科学。所谓结构的安全是指结构能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种载荷和(或)载荷效应，并在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。此外，结构在正常使用时，还必须适合营运的要求，并在正常的维护保养条件下，具有足够的耐久性。在一般情况下，船体强度计算应包括下述内容确定作用在船体或各个结构上的载荷大小及性质，所谓外力问题。 确定结构剖面中的应力与变形，即结构的响应分析(亦称载荷响应分析)；或者求使结构失去它应起的各种作用中的任何一种作用时的载荷，即结构的极限状态分析(亦称载荷效应的极限值)，即所谓内力问题。 3确定合适的强度标准，并检验强度条件。 长期以来，结构的安全性衡准都普遍采用确定性的许用应力法[]。该法以预先规定某一计算载荷为基础，利用结构剖面中的计算应力与许用应力相比较，即利用条件 (1.1) 来检验结构强度是否足够。因此，该法的特点是将计算中的有关参数都取为单一的确定值。 但是，实际上船体强度计算中必须考虑许多不确定因素。首先，作用于船体的载荷具有很大的变动性和随机性，特别是波浪引起的载荷；其次，船体结构材料的性能，如屈服极限、疲劳极限的不确定性；此外，如建造质量(它对结构强度的影响特别大)，分析计算中的简化、假设、近似所造成的误差等。由此可见，结构安全性是属于概率性的，因此，在结构强度计算中，只有运用概率方法才能充分揭示作用在船体结构上的随机外力的真相和结构材料在随机载荷作用下的破坏机理。 由于船体结构本身及其环境条件和相互作用的复杂性，在船舶工程中概率方法的应用仍处于初步阶段。目前，在船舶建造规范中，对常规船舶，波浪载荷仍以传统形式表达，但应用了随机性波谱理论以一定概率水平预报；而对于超过规范规定的范围的船舶，则明确规定了一种半概率的“直接计算法”作为补充，即对于波浪载荷运用概率法进行长期预报，但对船体结构的承载能力仍沿用许用应力的确定方法。 近年来，由于新型船的建造和船舶的大型化及海洋平台开发[]的兴起，新结构、新材料不断出现，船舶结构的屈曲、弹塑性破坏、疲劳和断裂等课题提出，迫使我们寻找新的有效的船体结构分析方法；并且，随着计算机软硬件技术的发展，将船体的局部结构甚至是整艘船划分为有限单元来进行分析成为可能，船体结构强度分析从此有了革命性的突破。有限元分析方法，将整个船体结构离散为能精确模拟其承载模式和变形情况的有限单元。对于各主要结构构件，按其受力状况分别以膜、杆、板、壳和梁等单元来表达。这样可详尽地表述船体结构的微观细节，真实地表达出各个构件间的协调关系与变化。通