破损船体梁残存强度的有限元计算模型研究

陈 彬 吴剑国

（浙江工业大学 建工学院 杭州310014）

破损船体梁残存强度的有限元计算模型研究

陈 彬 吴剑国

（浙江工业大学 建工学院 杭州310014）

［摘 要］采用Abaqus软件建立多个非线性有限元计算模型，对完整和破损后的船体梁进行非线性有限元计算。通过与Smith方法的结果对比分析，确定船体梁残存强度非线性有限元计算模型和边界条件，并研究破口周围边界对残存强度的影响。

［关键词］非线性有限元；破损；计算模型；边界条件；残存强度

引 言

国际海事组织（IMO）在船体结构的目标型标准（GBS）中，对船体剩余极限强度评估提出了明确目标和功能要求。美国船级社（ABS）、挪威船级社（DNV）已对破损后剩余强度［1-4］作出具体规定，给出最不利的破损部位和范围；即将实施的油船和散货船协调版共同结构规范（Harmonized Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers，简称HCSR）也规定了残存强度的要求。其中残存强度的计算规定采用Smith计算方法，非线性有限元方法可作为替代方法使用。一方面，由于Smith法是基于假设失效发生在两个横框架之间，碰撞破损后，而横框架刚度明显削弱，Smith法求解的精度有待验证；另一方面，HCSR未对有限元模型建模技术和边界条件等进行明确规定。因此，开展船体梁残存强度非线性有限元计算模型和边界条件的研究很有必要。

非线性有限元法（NFEM）是计算和分析船体极限承载能力的强有力工具，其计算效率和精度主要取决于模型的合理性。国际船舶结构大会（ISSC）［5］及众多学者皆推荐采用一跨无横向构件模型计算船体梁极限强度。对于完整船体结构［6-7］，横向构件刚度足够大，假设框架不变形是切实可行的，但是船体结构碰撞破损后，横向构件会部分破损缺失，破口处的刚度会削弱，破口周围边界对残存强度的影响尚待研究。本文采用Abaqus软件建立多个非线性有限元计算模型，对完整和破损后的船体梁进行非线性有限元计算。通过与Smith方法所得的结果进行对比和分析，确定船体梁残存强度非线性有限元建模技术和边界条件。

图1 HCSR船体梁破损计算模型图

表1 碰撞、搁浅损伤范围

1 船体梁残存强度非线性有限元计算

1.1 破损范围

HCSR规定的碰撞和搁浅两种破损范围参见图1、表1。

1.2 完整模型

本文通过4种不同密度有限元单元的DOW［8］模型计算结果对比，进行船体梁非线性有限元模型的网格划分与单元选取研究，确定最佳网格和单元：选用纵骨间6个单元、腹板分3个单元和翼缘采用梁单元。

非线性计算时应力-应变关系采用双线性模式，应变硬化指数n=1 000 N/mm，杨氏模量为206 000 N/mm2，泊松比为0.3。

为了研究横向构件的影响，本文针对一艘115 000 t散货船，建立了有横向构件和无横向构件单跨完整模型。计算模型和转角-弯矩曲线如图2，计算结果见表2，边界条件见表3和表4。

图2 单跨完整计算模型与计算结果

表2 单跨完整模型有限元计算结果　（×1012N·mm）

表3 端面相关点约束条件

表4 中性点约束条件及荷载施加

计算软件根据表2的数据分析得出以下结论：

（1）对于完整结构，有限元结果与Smith结果一致，误差在6%以内。

（2）对于完整结构，有横向构件、无横向构件模型中拱计算和中垂计算结果的误差约分别为0.53%和1.20%。

（3）中拱结果可以得出，有横向构件模型转角比较小，刚度较大。

结果表明：完整结构可不建横向构件。

1.3 破损模型及边界条件

对于该散货船，参照HCSR规定，删除碰撞区域、搁浅破损区域以内的所有单元，建立图3、图4所列几种单跨破损模型。

图3 单跨碰撞计算模型

图4 单跨搁浅计算模型

2 船体梁残存强度计算结果

本文通过abaqus软件，采用弧长法对船体梁进行非线性有限元分析，计算出该散货船的残存强度，结果见表5和表6。

根据表2、表5和表6的数据分析得出以下结论：

（1）碰撞中拱、中垂结果比完整模型分别下降16.62%和22.79%，搁浅中拱、中垂结果比完整模型分别下降27.09%和9.02%。

（2）有横向构件与无横向构件完整、碰撞、搁浅模型计算结果的误差分别约为0.86%、0.83%、0.38%；部分横向构件与无横向构件碰撞、搁浅模型计算结果的误差分别约为0.47%、0.39%。因此可以得出有横向构件、无横向构件、部分横向构件的计算结果非常吻合。

表5 破损模型有限元计算结果　（×1012N·mm）

表6 破损模型有限元计算结果比值

图5 碰撞模型计算结果曲线

图6 搁浅模型计算结果曲线

（3）碰撞破损后，删除破口上部顶边舱，承载力极限值比无横向构件模型下降38%，由此得出碰撞后顶边舱对船体的残存强度影响依然很大，不可忽略不计。

（4）由搁浅无底边舱纵桁模型得到，破损边缘的底边舱纵桁对结果会产生1%的影响。

3 结 论

本文确定了船体梁残存强度的非线性有限元计算模型和边界条件。计算结果表明：一方面，Smith方法可用于船体梁残存强度的计算；另一方面，通过设定表3的边界条件1和边界条件3，在不建横向构件或只建破损周边横向构件的情况下，也可以达到有横向构件模型同样的效果，如此便可大幅减少非线性有限元建模工作量，提高计算效率。

［参考文献］

［1］ 祁恩荣，崔维成．破损船体极限强度非线性有限元分析［J］ .船舶力学，2005（5） ：1-5．

［2］ 高本国，船体极限强度与破损剩余强度非线性有限元分析［D］ .武汉：武汉理工大学，2012．

［3］ 刘俊梅，船体极限强度及受损船体剩余极限强度分析［D］ .武汉：武汉理工大学，2005．

［4］ 杨平，刘俊梅．破损船体剩余极限强度的评估与分析［J］. 武汉理工大学学报，2006（6） ：1305-1307．

［5］ ISSC Ultimate strength［C］.Report of 18th International Ship and Offshore Structures Congress，2012-09：285-363．

［6］ 王军，孙丰，陈舸，等. 船体典型结构局部强度考核试验模型设计［J］ .船舶，2013（6） ：40-46．

［7］ 汤红霞，王晓宇，刘见华，等. 舰船结构极限强度计算及试验研究［J］ .船舶，2014（3） ：26-29．

［8］ Dow R S. Testing and Analysis of 1/3-Scale Welded Steel Frigate Model［A］. Proc. of Intl. Conf. on Advances in Marine Structures，Dunfermline，U.K.， 1991： 749-773.

［中图分类号］U661.43

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0057-05

［收稿日期］2015-01-13；［修回日期］2015-03-10

［作者简介］陈 彬（1989-），男，硕士，研究方向：船舶结构力学。吴剑国（1963-），男，博士，教授，研究方向：船舶结构力学。

Investigation on fi nite element calculating model for hull girder residual ultimate strength

CHEN Bin WU Jian-guo

(College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China)

Abstract：With the software of Abaqus， this paper builds several nonlinear fi nite element models for the nonlinear fi nite element calculations of the complete and damaged hull girders. Through the comparison with the results by Smith mothod， it determines the non-linear fi nite element model and the boundary condition for the residual ultimate strength of hull girders， and investigates the infl uence of the boundary conditions of the crevasse on the residual ultimate strength.

Keywords：nonlinear fi nite element； damaged； calculation model； boundary conditions； residual ultimate strength