舰船新型甲板结构型式的极限强度研究

论文摘要

舰船的生命力可以分为舰体损伤“之前”的生命力和舰体损伤“之后”的生命力两部分。随着现代高科技武器的飞速发展,在未来海战中,大型水面舰船将不可避免地受到各种反舰武器的威胁。舰船的“之后”生命力越来越受到各国海军的关注。在“之后”生命力的诸多要素中,舰体在损伤状态下的总纵强度显得格外重要,因为它是保证舰船能够继续生存的基础。为了提升舰船的“之后”生命力,对舰体新型结构型式的研究已经成为一大热点。德国F124护卫舰采用了以纵向箱型梁加强为特征的新型强力甲板结构型式。本论文基于极限状态设计的思想,对这种新型强力甲板结构型式的极限强度性能进行了分析。重点研究在典型的损伤状态下,新型结构型式相对常规结构型式,在剩余强度方面的优势。为了对典型的损伤状态进行合理的模拟,本论文搜集了大量历史海战的资料,从中总结出两种典型的舰船损伤模型:局部破口损伤模型和大变形损伤模型。对于破口损伤模型,采用“失效区域”的判断原则,将失效区域从结构总体中删去,并且为了做到分析的全面性,在计算时设置了多个失效区域大小和位置的组合;对于大变形损伤模型,采用设计冲击载荷通过动态响应分析来得到结构的几何大变形状态。设计冲击载荷的形式参考了空中爆炸的冲击特性。在研究舰船的剩余强度的过程中,定义了剩余极限强度的概念,并对分析结构极限强度时,所采用的非线性有限元法做了较全面的论述。为了研究从损伤状态模拟到剩余极限强度分析的具体过程,本论文首先基于一个简单模型算例进行实践,为实船计算打下基础。在准备工作完成后,本论文以某常规舰体为基础,参考F124护卫舰的设计在常规强力甲板结构型式上设置加装了三根纵向箱型梁结构构成新型舰体。作为初步设计,箱型梁结构的尺寸参考了周围构件的布置,并根据薄壁结构相关理论进行了稳定性校核。随后,本论文对常规舰体和新型舰体的极限强度性能进行了对比分析,分析包括初始极限强度、局部破口损伤状态下的剩余极限强度以及大变形损伤状态下的剩余极限强度三个方面。分析结果表明,在强力甲板上设置纵向箱型梁这种新型结构型式,相对常规结构型式,在舰体极限强度性能方面具有十分显著的优越性。本论文最后就纵向箱型梁对舰体极限强度的贡献及其机理进行了研究,为我国自行设计和研究舰船新型结构型式提供了有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 钢结构的极限状态设计
• 2.1 引言
• 2.2 极限状态设计
• 2.2.1 钢结构设计的一般原则
• 2.2.2 极限状态设计思想
• 2.2.3 极限状态的定义
• 2.2.4 结构的塑性性能
• 2.3 薄壁结构力学概要
• 2.3.1 薄壁结构力学研究的对象
• 2.3.2 薄壁结构稳定性理论
• 2.4 本章小结
• 第三章 反舰武器的破坏效应和舰船损伤模型
• 3.1 引言
• 3.2 反舰武器的类型
• 3.3 空中爆炸冲击载荷
• 3.3.1 空中爆炸冲击波的形成
• 3.3.2 冲击波阵面的传播
• 3.3.3 冲击波特征参数及经验公式选用
• 3.4 舰船损伤模型
• 3.4.1 接触爆炸与非接触爆炸
• 3.4.2 典型损伤模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 剩余极限强度的定义和有限元法
• 4.1 引言
• 4.2 剩余极限强度的定义和研究方法
• 4.2.1 剩余极限强度的定义
• 4.2.2 剩余极限强度的研究方法
• 4.3 非线性有限元法
• 4.3.1 三种非线性有限元解法
• 4.3.2 RecklingNo.23 模型算例
• 4.4 本章小结
• 第五章 典型损伤状态下的剩余极限强度分析算例
• 5.1 引言
• 5.2 方案设计
• 5.3 局部破口损伤算例
• 5.3.1 数值分析流程
• 5.3.2 数值计算
• 5.4 大变形损伤算例
• 5.4.1 数值分析流程
• 5.4.2 数值计算
• 5.5 计算小结
• 5.6 讨论
• 5.6.1 纵向箱型梁结构的作用
• 5.6.2 箱型梁刚度的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 实船数值分析
• 6.1 引言
• 6.2 纵向箱型梁初步设计
• 6.2.1 结构设计
• 6.2.2 稳定性校核
• 6.3 初始极限强度分析
• 6.4 局部破口损伤状态下的剩余极限强度分析
• 6.4.1 局部破口损伤的模拟
• 6.4.2 局部破口损伤状态下的剖面几何特性
• 6.4.3 剩余极限强度分析
• 6.4.4 对比分析
• 6.5 大变形损伤状态下的剩余极限强度分析
• 6.5.1 求解思路
• 6.5.2 大变形损伤状态的模拟
• 6.5.3 剩余极限强度分析
• 6.5.4 对比分析
• 6.6 纵向箱型梁结构对总纵极限强度贡献的机理研究
• 6.6.1 对整体刚度的贡献
• 6.6.2 对约束程度的贡献
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果