循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体结构极限强度研究

The ultimate load-bearing capacity of ship's structure has very important significance on the security and survivability. At present all the calculation methods of ultimate strength of ship hull structure are built on the basis of the static ultimate strength concept, that is, the ship hull collapse was the result of one-off extreme external bending moments. In fact, under repeated extreme loads in rough sea it is more common that ship hull collapse is the consequence induced by accumulated incremental plastic damages, which lead the load-bearing capability to continuously reduce, and eventually led to collapse in less than its one-time value of static ultimate bending moment. Therefore, the ultimate strength criteria based on the accumulated incremental plastic damages can more accurately forecasting ultimate bearing capacity of the ship hull structure. Through the analysis of elastic-plastic theory this research derives the elastic-plastic loading and unloading paths of structural elements under cyclic loads. Ultimate strength of ship hull girder under cyclic bending loads is transferred to the problem of elasto-plastic behavior of the structure with accumulated incremental plastic damages under monotonic bending loads. This study can provide theoretical basis of the actual damage process related to a dangerous section of ship hull structure. Research results can more accurately explain overall destruction phenomenon of ship hull girder under extreme sea conditions, provide more reliable analysis and calculation methods for correctly predicting the ultimate bearing capacity of a ship hull structures.

船舶结构极限承载能力对船舶的安全性和生命力有着十分重要的意义。目前船体结构极限强度的计算方法都是建立在静力极限强度概念的基础上，即认为船体的总体破坏是一次性极值外弯矩作用的结果。事实上，船体结构的总体折断破坏更为普遍的情况是在恶劣海况中多次极值外载荷作用下的累积递增塑性破坏。船舶在航行中，每次恶劣风浪引起的过载都会使船体的危险断面处增长新的塑性变形，从而导致危险断面承载能力的不断降低，并可能最终导致船体梁在小于它的一次性极限弯矩值的情况下出现总体折断破坏。因此，基于累积递增塑性破坏的船体极限强度能够更为准确地预报船体结构的极限承载能力，是一次性静力极限强度的一个发展。本项目基于累积递增塑性破坏对循环载荷下船体的极限强度全面开展理论、模型及数值分析研究，研究结果可以更确切地解释船体梁在极值海况条件下的总体破坏现象，为正确预报船体结构的极限承载能力提供更为先进的理论依据及可靠的分析计算方法。

船舶结构极限承载能力对船舶的安全性和生命力有着十分重要的意义。目前船体结构极限强度的计算方法都是建立在静力极限强度概念的基础上。事实上，船体结构的总体折断破坏更为普遍的情况是在恶劣海况中多次极值外载荷作用下的累积递增塑性破坏。由于累积递增塑性会不断降低船体的承载能力，故最终导致船体是在比一次性单调极限弯矩值为小的载荷下发生崩溃。因此，基于累积递增塑性破坏的船体极限强度能够更为准确地预报船体结构的极限承载能力，是一次性静力极限强度的一个发展。项目基于累积递增塑性破坏对循环载荷下船体的极限强度全面开展理论、数值分析及模型实验研究，研究结果可以更确切地解释船体梁在极值海况条件下的总体破坏现象，为预报循环载荷下船体结构的极限承载能力提供更为先进的理论依据及可靠的分析计算方法。.项目开展了系列的理论、数值及模型实验研究。通过弹塑性理论研究与分析，得到轴向压力下船体板的平均应力-应变关系。采用弹塑性理论与非线性有限元数值模拟相结合方式，得到了比Rahman更为精确的单调压缩载荷下加筋板的平均应力-应变关系表达式，以及滞回关系曲线的计算方法，并成功开发循环载荷下考虑累积递增塑性的船体结构极限强度计算程序。对板、加筋板、箱型梁以及各类船型，开展了系列非线性有限元数值计算分析与讨论，得到了在不同材料、尺寸因素、结构型式、不同加载模式情况下船体结构的承载能力及力学性能。开展了循环载荷作用下船体板、箱型梁的极限强度实验，获得了循环载荷下船体结构的极限强度性能的一些重要结论。项目研究所得结果对提升船体结构安全性以及对船体结构工程设计水平具有重要意义及应用前景。