浅析船体结构极限强度模型试验技术

陈昊 陈念宁

摘 要：船体结构极限强度是船体结构安全检验中的重要参考指标，因此船体结构极限强度模型试验技术在船舶工程行业中发挥着十分重要的作用，基于此，本文针对船体结构极限强度模型试验技术的应用进行详细的研究分析。在极限强度模型试验相关原理的基础上，从对甲板加筋板和箱型梁对不同模式下的船体结构极限强度模型试验技模型设计进行分析，最终采用实际的船体结构极限强度模型试验对极限强度模型进行验证。

关键词：方向性量纲分析法 稳定性相似模型补偿法 极限强度模型试验

1.引言

船体结构极限强度作为船体结构参数之一，在评价判断船体结构安全稳定性的过程中发挥着十分重要的作用，现阶段已经成为船体结构设计和强度评估工作中的参考指标之一，也是船体结构设计中必须要进行校对的内容之一。但是想要得到船体结构極限强度的准确数值存在一定的难度，因此结构模型试验必须要稳定开展，以此保证数值结果的准确性和可靠性，必须要从模型设计理论出发，对模型进行优化。

2.船体结构极限强度模型设计研究

（1）方向性量纲分析法在极限强度中的应用

方向性量纲分析法在极限强度中的的应用起源于上世纪六十年代，这种分析方法，将船体的长度量纲划分厚度、宽度、长度三种不同的量纲，并且借助这种分析法推导出基于极限强度的相似准则。具体的步骤如下：

第一，明确模型试验中涉及到的物理量，分别为外力、内力以及材料特性，包括描述船体结构的物理量等，在不同物理量的基础上，展开船体结构极限强度模型的研究。

第二，根据量纲分析法将相关物理量之间的关系，通过一般函数表达式表达出来，继而推导出极限强度相似准则π定理，根据相似准则和定性准则，得到系统的相似准则如下：

其中字母P、M、A、L分别代表着选取力、力矩以及闭口区域板厚中心线所围成的面积、线尺度。而字母σ、μ、δ则分别代表着各向正应力与剪应力、泊松比以及厚度。

（2）稳定性相似模型补偿在极限强度中的应用

上文中提出来的方向性量纲分析法常用于指导船体模型的整体结构设计，比如船体剖面惯性矩设计，以及中和轴高度设计，但是想要对船体模型的局部结构进行设计，就会存在一定的误差，从而导致船体在运行中发生危险，因此在方向性量纲分析法的基础上，还要对局部稳定性进行修正，也就需要运用到稳定性相似模型补偿法，这种方法可以分为两个部分，一种为非线性起始量相似、一种为非线性终止量相似。按照相似准则进行推导后，分别得到公式如下：

其中第一个公式中运用到了与板格长宽比相关的待定系数、杨氏模量、板厚、泊松比、纵骨间距，而字母b表示模型的纵骨间距，字母β代表板的柔度，而λ代表计及带板的柔度，在计算这两者柔度中还需要运用到加筋板的及向应力和筋的惯性半径。

3.不同模式下船体结构极限强度模型设计

（1）船舱段模型及甲板失效模式

假定船体的基本数据如下：

船体的型宽和型深分别为：20m和14m；甲板相关内容为：主甲板厚度14mm，而甲板上纵向加强筋、主甲板纵桁与横梁使用的是14a球扁钢以及T型材，其中14a球扁钢相关参数包括：高度140mm、宽度33mm、厚度7mm、剖面积1405mm2，而T型材中的相关参数氛围纵桁与横梁，两者参数数据相同，具体参数为：腹板尺寸12×400mm，面板尺寸16×200mm；最后，还要明确船体的典型横梁间距，为2000mm。

通过以上参数计算横梁的临界刚度后，发现纵骨间距为0.302，在对相关参数进行汇总后，得到了表1中的主要参数数据。

（2）甲板加筋板压缩试验

在明确了船舱段模型及甲板失效模式后，可以选取甲板上的纵桁与横梁之间的纵骨和面板进行甲板加筋板压缩试验，以此进一步验证甲板加筋板结构的极限强度，保证上述得到的极限强度公式的准确性，也能够为后期的箱型梁模型强度试验奠定基础，并且对船体的极限强度进行全面的预估。甲板加筋板压缩试验一共分为四个步骤。第一，选取出核心试验区域；第二，对非核心区域试验模型进行设计；第三，对配套工装试验设计；第四，甲板加筋板压缩试验的非线性有限元模型，下图为甲板加筋板压缩试验中的核心区域尺寸。根据具体的计算后，得到了船体极限强度为MU=2.04×109N×m，非线性有限元计算结果为MU=2.39×109N×m，和实际的误差约为17%。

（3）箱型梁模型强度试验

通过对甲板加筋板压缩试验可知，虽然试验船体结构和实际船体结构完全一致，也能够有效反应出船体的破坏模式，但是和实际情况依然存在较大的误差，无法完整地反映出船体的破坏过程，因此需要对箱型梁模型强度试验更进一步进行判断，以此降低误差。通过对畸变箱型梁模型以及简化箱型梁模型的极限强度试验后，预报结果和有限元结果相同，基本上达到了较好的试验结果，因此可知，通过以上两种方法的综合使用可以对船体的极限强度进行初步预报，得到的预报结果也较为准确，但是在进行具体的计算之前，还需要对材料真实应力以及应变关系进行试验，从而进一步保证所得到的船体结构极限强度的准确性。

4.船体结构极限强度模型试验

经过上文对一些典型代表性的极限强度模型进行试验后，本文以某船舱段为具体研究对象，展开具体的船体结构极限强度模型试验研究，以此对上文的分析进行详细的验证。分别进行了模型试验、小水线面双体船模试验、高速三体船模试验。首先对该船的基本参数进行简单的了解，其中船板厚比Ct=4：1，几何缩尺比CL=10：1，按照上述比例对试验船体模型进行缩尺比设计，并且展开上述试验，以此具体判断船体结构极限强度。针对高速三体船模试验进行详细的分析，高速三体船模试验采用的是三点弯曲的加载方式，通过这种方式来模拟船体在实际运行中产生的波浪弯矩峰值，通过该试验可以具体判断出高速三体船的极限承载能力以及三体船总纵极限强度，在此基础上，结合非线性有限元数值的计算方式，可以准确预报船体实际总纵极限承载能力。在研究船体结构极限强度中模型试验是最为直接的手段，将船体结构极限强度破坏的原因作为理论基础，利用量纲分析法和方程分析法确定模型稳定性相似准则，根据上文试验和仿真计算，发现了剪力对界面极限强度具有一定的影响，因此在实际应用的过程中还需要考虑到剪力的影响。

5.结束语

综上所述，通过对船体结构极限强度模型试验研究发现，试验的重点不同，所采用的模型设计方案和试验手段也各不相同，在实际应用的过程汇总还需要结合数值仿真以及相关理论，制定具体的研究方案。模型试验是船体结构极限强度研究中的重要内容，合理开展模型试验，才能够得到准确的船体结构极限强度，通过不同的强度试验，可以得到船体极限强度弯扭相关关系曲线。在此基础上就可以展开进一步研究。

参考文献：

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