船用加筋板残余应力有限元分析(2)

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参考文献.40
第 1章绪论 1.1 选题的背景及意义在科学技术全面发展的今天，船舶也正朝着大型化、轻型化、高速化、和多样化发展，船舶安全性问题越来越受到各国造船业的重视。据统计全世界每年大约有上千次严重的船舶事故，大约有 230 多艘船舶沉入大海，这些本可以避免的事故不仅对生命和财产造成了巨大的损失，也对生态环境带来了破坏。因此，相关的国际组织，如国际海事组织(IMO)，国际标准组织(ISO)，国际船舶结构会议(ISSC)，国际船级社协会以及各国航运公司和造船企业对船舶强度的检测有了更高的要求。船舶由船底板、舭部、舷侧、甲板等结构组成，而这些结构大都是由加筋板组成，因此加筋板是船舶的基本结构。加筋板的失效破坏会降低船体的承载力，严重下会导致整个船体的断裂破坏，这对一艘船而言是致命的。而且加筋板结构对船舶的安全性，经济性有重大影响，因此对加强筋残余应力的研究是十分重要的。在通常的结构分析和设计中，只针对完整结构进行受力变形计算，而实际构件尤其是钢结构都不是理想构件，在制造运输加工的过程中不可避免会使构件产生各类初始缺陷[1]。初始缺陷根据产生原因不同分为几类，如初始变形、残余应力、凹陷等等。残余应力是影响船体整体强度的重要因素，船舶在建造过程中构件需要进行焊接加工等工艺，这样每次加工都会产生一定的残余应力，残余应力会对结构的极限承载能力大大降低，从而使船舶整体的稳定性和刚度下降；如果每道工序中的残余应力不进行消除，残余应力会累计叠加并在构件中重新分布。最终会降低船舶建造质量使得船舶更容易出现事故。船体强度分析归根到底就是分析在外载荷作用下船体抵抗破坏的能力。随着科学的进步，人们发现船体结构的极限强度分析方法比传统的许用应力法能够体现真实的船体强度，业界人士普遍认为这种方法是反映船舶结构可靠性和安全性的重要指标。上世纪末，国际船舶与海洋大会针对船舶极限强度的问题特别成立了用来评估船舶极限强度下载荷的方法特别委员会。十大船级社在 2000 年对散货船和油船签署了共同规范（IACS-CSR），源]自{751^`论\文}网·www.751com.cn/ 该规范中明确规定：在对散货船和油船进行强度校核时，不仅需要满足常规的极限强度和许用应力要求，而且还需要提交船舶极限强度计算报告书[2]。同时为了船舶的安全和对环境的负责制定了统一的船舶建造标准。经过对船舶极限强度的研究发现，不同的学者以相同的方法，对相同的构件、材料以及初始缺陷下进行极限强度分析，最后的分析结果有着明显的差异，而且相较于试验结果也存在着显著的差异。随着大家对船体破坏机理的深入研究，不断完善发展了对极限强度的定义，与此同时极限承载力取代了传统的基于线弹性应力水平的设计方法。
现在针对船舶结构设计和校核的当务之急就是发展集应用方便、理论成熟、计算精度高的船舶结构极限强度分析方法[3]。评估船体极限强度的方法众多，ISSC 和 ISO 两个协会 2010 年对 6 艘船舶的极限强度进行了多种方法的测定计算，大会根据结果对有限元方法的准确性给予了肯定。非线性有限元分析在解决复杂构件问题时有着强大的功能，早期在分析船体结构逐步破坏的过程中就采用了专用有限元法。近年来随着对计算机技术和数值分析方法的深入研究，通用有限元程序越来越多地的应用于结构非线性分析中。应用有限元软件模拟加筋板结构的残余应力，可以得到加筋板中残余应力的的大小和分布规律，分析不同网格大小时对极限承载能力的影响，为结构强度的计算提供研究依据。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 残余应力研究现状目前国内外对于残余应力的研究可分为三个方面，理论研究、定量测量与计算分析方面的研究以及应用研究。近几年来，随着计算机硬件水平的飞速发展，以及对有限元理论的深入研究，很多大型的通用有限元程序，如 ANSYS、ABAQUS、MSC MARC， MD NASTRAN等，已经成为计算船舶结构由于残余应力引起的的极限强度中必不可少的工具。但是考虑到焊接过程的复杂性以及影响因素较多，想要准确的获得残余应力大小和分布规律并能有效的加以控制是很有难度的，而日益发展的数值分析方法和计算机技术为解决残余应力分布提供了可行的方法[4]。武汉大学的陈丽敏、陈思作[5]在有限元理论和热弹塑性应力理论的基础上，通用 ANSYS 对焊接工字型截面梁进行残余应力分析发现，工字型截面梁截面几何参数对焊接残余压应力的分布有影响。班慧勇等[6]通过实验研究和大量计算得到了适用于 Q420 高强等边角钢残余应力计算公式和分布模式。杨文等[7]对对接焊接的钢板和焊接工字钢进行了研究，通过有限元计算分析得到了温度梯度分布情况和及焊接残余应力应变分布情况。国外的 Paik[9]在兼顾到残余应力存在下的情况下，开发出了可以简单、快速、有效计算加筋板在组合载荷作用下的极限强度的 ALPS/ULSAP程序。N.Murugan[9]等人考虑到材料的物理性能和机械性能会随着温度改变，在应用有限元法模拟 T 型节点的焊接残余应力后发现模拟的结果与实验结果相差不大。英国的 Nether cot[10-11]详细分析了影响梁的测扭屈曲的因素。结果表明因为翼缘尖端的残余应力水平较高，所以残余应力对临界弯矩有着较大的影响，接着还利用有限元方法进行了工字钢梁的非线性分析。