基于水弹塑性方法的超大型船舶极限承载能力研究

The load carrying capacity of ship’s hull girder is a significant parameter of ship safety for the requirements of International Association of Classification Societies. In order to accurately clarify the changing process of large ships’ load carrying capacity when it suffered from extreme sea condition and begin to collapse, assess its final collapse extents, a hydro-elastoplasticity approach is adopted to analyze the post-ultimate strength behaviour of hull girder under the extreme wave load. Firstly, investigation on the collapse pattern of ship’s stiffened panel and hull girder are performed, the forming process of elastic-plastic hinge of hull girder, evolution and development tendency of plastic region are explored. Secondly, a series of collapse mechanism tests of hull girder model in tank are conducted. From the collapse tests, the theoretical analysis results based on the collapse model of hull girder in the hydro-elastoplasticity analysis approach, and the failure modes of hull girder are validated, which supply the improvement of hydro-elastoplasticity analysis approach, and reveal the post-ultimate strength behaviour of ship’s hull girder when it subjected to the extreme wave load. Finally, the load-displacement relationship of hull girder obtained from numerical simulation and the collapse pattern from mechanism tests are used for input data, combined with the coupling effect between movement of hull girder and wave load, the hydro-elastoplasticity approach is utilized to analyze the dynamic response of hull girder in time domain when the collapse occur, the final collapse extent of hull girder is predicted, which provide a theoretical foundation and a new approach for prediction on the limit load carrying capacity of ship’s hull girder.

船体梁结构的承载能力是国际船级社对船舶安全性要求的重要指标。为了准确描述超大型船舶遭受极限海况而发生破损后的承载能力变化过程，评估最终的崩溃损伤程度，本项目采用水弹塑性方法对船体梁在极限波浪载荷作用下的后极限强度行为进行研究。首先，探索船体加筋板架以及船体梁结构的崩溃模式以及“弹塑性铰”的形成过程、塑性区的演变和扩展规律。其次，开展水池中船体梁缩比模型崩溃机理实验，验证水弹塑性分析方法中船体梁结构崩溃模型的理论分析结果，以及船体梁结构的破坏模式，完善水弹塑性分析方法，揭示极限波浪载荷作用下船体梁结构的后极限强度行为。最后，将数值计算得到的船体梁载荷-位移关系，以及实验探明的船体梁结构崩溃模式作为输入条件，结合船体梁运动与波浪载荷之间的耦合效应，采用水弹塑性分析方法对船体梁结构发生崩溃后的时域动态响应进行分析，预测船体梁结构的最终崩溃损伤程度，为船体梁的极限承载能力评估提供理论依据和新方法。

船体梁结构的极限强度与船舶的总纵强度息息相关，是确保船舶安全的一个重要因素。大型船舶遭遇极限海况而发生整体结构崩溃的过程是一种动态的非线性过程。在对崩溃过程中船体梁结构响应分析时，结构变形与波浪载荷之间的强非线性耦合问题是不能忽视的。传统的极限强度评估方法并不能很好地解决这一问题，现有的剩余强度评估理论也是基于给定损伤的情况下进行的。因此，考虑到极限海况的波高和周期，对遭受了极限海况作用下的船体梁结构的后极限强度行为进行研究，评估船体梁结构系统达到平衡状态时的最终承载能力，对于船舶受损后救援方案的制定，以及船体梁结构承载能力的再评估非常重要。本项目完成了船体加筋板架结构的屈曲和后屈曲性能研究，开展了极限载荷作用下板架结构塑性区发展与演变过程研究，并针对船体梁结构的后极限强度行为及崩溃破坏模式进行了研究。完成了动态弯矩载荷作用下船体梁结构极限强度数值研究，并针对船体梁结构缩比模型机理试验的方案进行了设计研究，完成了水池船体梁模型的水弹塑性机理试验。开展极限波浪载荷作用下船体梁后极限强度行为的参数相关性研究；建立船体梁结构的弹塑性崩溃理论模型，结合非线性有限元计算结果和机理实验中“弹塑性铰”中获取的破坏模式，进一步开展了基于水弹塑性分析方法的船体梁结构在极限波浪载荷作用下的崩溃程度研究，一定程度上完善了水弹塑性分析方法。完成了基于水弹塑性分析方法对实船船体梁结构动态响应及极限承载能力的预测研究，提出大型船体梁结构崩溃程度评估的水弹塑性分析方法。通过该项目的研究，完善了用于大型船舶极限承载能力评估的水弹塑性方法，并对大型船舶在极限波浪载荷作用下的动态行为进行了预测，对船体梁崩溃的程度进行了预测，为大型船舶的安全性设计提供了参考依据。