真实搁浅事故场景的船体结构剩余强度评估
摘 要摘 要船舶的剩余强度是衡量船体结构安全可靠性的重要指标，合理评估损伤船舶对外载荷的极限承载能力，有助于更高效的开展船体结构设计，减少事故损失。本文对搁浅事故场景进行了分析介绍，以及船体结构剩余强度计算的国内外研究现状，并对极限强度计算常用的研究方法进行了分析；采用非线性有限元软件Abaqus，分析了极限强度有限元仿真技术，以VLCC大型油船为例，对其在不同损伤位置、不同损伤大小下的极限强度进行了分析。论文的具体工作和主要成果如下：详细介绍了船舶极限强度的研究意义、研究方法、以及国内外进展情况。着重介绍了Abaqus软件，详细介绍了其功能模块以及应用领域。采用非线性有限元软件 Abaqus，以VLCC大型油船为例，建立其船体底部板架的数值仿真模型，对船体底部板架结构极限承载力进行计算，并对结果进行了分析。3. 对结构模型在搁浅事故下的损伤工况进行仿真计算，以此为基础，分析结构在损伤后的极限承载力，并与完整结构极限强度进行分析比较。通过对不同破损工况下船舶极限强度的分析比较，得出这些参数对船体极限强度的的影响。关键词：搁浅；破损船舶；极限强度；数值仿真Keywords: Stranded; damaged ship; ultimate strength；numerical simulation 目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2 船体结构极限强度研究概述 2
1.3 船体结构极限强度计算方法及研究现状 3
1.3.1 直接计算法 3
1.3.2 简化逐步破坏法 3
1.3.3 非线性有限元法 4
1.3.4 理想结构单元法 5
1.4 论文的主要工作 5
第二章ABAQUS软件介绍 7
2.1 ABAQUS软件概述 7
2.2 ABAQUS软件的功能模块 7
2.3 ABAQUS软件的应用领域? 8
2.4 小结 9
第三章 完整结构船体梁极限强度计算 10
3.1 概述 10
3.2 计算模型的建立 10
3.2.1 目标船舶的选取 10
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.1 ABAQUS软件概述 7
2.2 ABAQUS软件的功能模块 7
2.3 ABAQUS软件的应用领域? 8
2.4 小结 9
第三章 完整结构船体梁极限强度计算 10
3.1 概述 10
3.2 计算模型的建立 10
3.2.1 目标船舶的选取 10
3.2.2 ABAQUS简化模型的建立 12
3.3结构模型的计算分析 13
3.3.1 应力变形图分析 13
3.3.2 弯矩—转角曲线分析 15
3.4小结 16
第四章 搁浅事故时船底破损对极限强度的影响 17
4.1 概述 17
4.2 破损工况（1） 17
4.3 破损对船体极限强度的影响 17
4.4小结 20
第五章 基于不同破损工况下船体梁极限强度分析计算 21
5.1概述 21
5.2破损工况介绍 21
5.2.1 破损工况（2） 21
5.2.2 破损工况（3） 22
5.2.3 破损工况（4） 23
5.3破损工况下的参数分析 24
5.3.1破损位置对极限强度的影响 24
5.3.2破损大小对极限强度的影响 27
5.4 小结 28
第六章 结论 31
6.1本文主要研究工作 31
6.2本文主要成果及结论 31
6.3进一步研究工作及展望 32
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
随着经济全球化的不断推进以及陆地上现有资源的不断消耗，人类开始把目光投到海上运输和海洋资源的开采，但这也带了大量船舶和海上石油平台的失事惨案的发生，常常导致船毁人亡、原油泄漏、环境污染等灾难性后果，造成了巨大的损失。因此，进行船舶及海上结构物的极限强度评估变得特别重要。
统计资料表明，在船舶各种灾难事故中，约有30%的船舶是由于碰撞和搁浅而造成的，而这些船舶约占损失总吨位的60%。 船舶在发生破损进水后，船体梁处于一种非常状态，一方面船体结构由于破口处结构的损伤，其整体承载能力发生了较为严重的削弱；另一方面由于破舱发生的进水会导致船舶的浮态和船体梁承受的外载荷发生显著的变化。?与完整结构相比，破损船舶剩余强度的评估变得更为复杂，以往基于许用应力准则的船体总纵强度评估思想和方法已不再适用。
图1-1 图为搁浅油轮泄油
引入更加能够表征船体梁真实承载能力的损伤后船体梁极限强度计算，并结合船舶在不同破损进水浮态下的载荷效应分析，?可以更为合理有效地解决事故船剩余强度评估这一课题。
除此之外，基于极限强度的船体梁总纵强度评估在经济方面也有很大长处。正是因为可以精确的计算出船体结构的极限强度，借以更为准确的反映出船体结构所能承受的总纵强度，从而达到合理利用材料、减轻船体重量、降低成本的目的，让船东获得更大的经济效益。
1.2 船体结构极限强度研究概述
Thomas Young[1]不仅提出了杨氏模量，他也是第一个尝试计算船体总纵弯矩的学者。他将船体进行简化，作为在一定的波浪模式下，受到浮力和重力引起的均布载荷作用的梁来计算。此后，在第15届造船师协会上，John[2]提出了用坦谷波理论来计算船舯剖面处的最大弯矩，并把这种方法当作评估船体总纵强度的基本方法。这种方法沿用至今，当然，随着研究的不断深入，细节方面也得到了一些改进，比如计算波浪载荷的方法得到了完善，使用屈服强度和屈曲强度来代替构件的断裂强度来决定构件的板厚等等。不过，这些年来最大的进步就是引入极限强度的概念进行船体总纵强度的评估。
船体结构在外力作用下，抵抗变形和破坏的最大能力被称为船体的极限强度，通常用船体梁的总纵弯矩来衡量。Caldwell[3]在1965年首次从理论上想计算船体结构在受到总纵弯矩下的极限强度，他采用等效厚度的方法，将船体横剖面等效为无加强筋的横剖面，采用剖面的全塑性弯矩进行估计船体的极限强度，同时将折减因子引入来考虑受弯构件发生屈曲后的影响。但是Caldwell的方法会过高的估计船体的总纵极限强度，因为忽略了船体构件在超越自身极限强度后的失效。之后，很多研究人员尝试改进Caldwell的方法： Endo[4]等按照自己推推导的公式来完成船体结构极限强度的相似计算；Paik 和 Mansour[5]也提出了计算船体梁极限强度的简化方法，Paik 等[6]在这个方法中完成了考虑腐蚀损伤后的可靠性分析。
只是，上述计算方法及其派生的改进计算法仍然没有摆脱它们的固有缺陷，不能真实地反映出船体结构的真正承载能力。Caldwell的方法没有考虑到当船体的局部构件超过其自身的极限强度后失效的话会对总体强度产生的影响，所以对船体梁极限强度的估计要偏高。事实上，当船体结构少数构件因为屈服或屈曲开始失效时，并不代表整个剖面失效，船体剖面的失效是一个渐进的过程。所以，为了精确计算出船体结构的极限强度，学者们就把研究的课题转变为得出船体结构的极限承载能力。这之后，基于逐步破坏思想的一系列方法应运而生，这些方法可以有效地跟踪船体结构的整个承载过程，可以有效解决
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2 船体结构极限强度研究概述 2
1.3 船体结构极限强度计算方法及研究现状 3
1.3.1 直接计算法 3
1.3.2 简化逐步破坏法 3
1.3.3 非线性有限元法 4
1.3.4 理想结构单元法 5
1.4 论文的主要工作 5
第二章ABAQUS软件介绍 7
2.1 ABAQUS软件概述 7
2.2 ABAQUS软件的功能模块 7
2.3 ABAQUS软件的应用领域? 8
2.4 小结 9
第三章 完整结构船体梁极限强度计算 10
3.1 概述 10
3.2 计算模型的建立 10
3.2.1 目标船舶的选取 10
3.2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.1 ABAQUS软件概述 7
2.2 ABAQUS软件的功能模块 7
2.3 ABAQUS软件的应用领域? 8
2.4 小结 9
第三章 完整结构船体梁极限强度计算 10
3.1 概述 10
3.2 计算模型的建立 10
3.2.1 目标船舶的选取 10
3.2.2 ABAQUS简化模型的建立 12
3.3结构模型的计算分析 13
3.3.1 应力变形图分析 13
3.3.2 弯矩—转角曲线分析 15
3.4小结 16
第四章 搁浅事故时船底破损对极限强度的影响 17
4.1 概述 17
4.2 破损工况（1） 17
4.3 破损对船体极限强度的影响 17
4.4小结 20
第五章 基于不同破损工况下船体梁极限强度分析计算 21
5.1概述 21
5.2破损工况介绍 21
5.2.1 破损工况（2） 21
5.2.2 破损工况（3） 22
5.2.3 破损工况（4） 23
5.3破损工况下的参数分析 24
5.3.1破损位置对极限强度的影响 24
5.3.2破损大小对极限强度的影响 27
5.4 小结 28
第六章 结论 31
6.1本文主要研究工作 31
6.2本文主要成果及结论 31
6.3进一步研究工作及展望 32
致谢 33
参考文献 34
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
随着经济全球化的不断推进以及陆地上现有资源的不断消耗，人类开始把目光投到海上运输和海洋资源的开采，但这也带了大量船舶和海上石油平台的失事惨案的发生，常常导致船毁人亡、原油泄漏、环境污染等灾难性后果，造成了巨大的损失。因此，进行船舶及海上结构物的极限强度评估变得特别重要。
统计资料表明，在船舶各种灾难事故中，约有30%的船舶是由于碰撞和搁浅而造成的，而这些船舶约占损失总吨位的60%。 船舶在发生破损进水后，船体梁处于一种非常状态，一方面船体结构由于破口处结构的损伤，其整体承载能力发生了较为严重的削弱；另一方面由于破舱发生的进水会导致船舶的浮态和船体梁承受的外载荷发生显著的变化。?与完整结构相比，破损船舶剩余强度的评估变得更为复杂，以往基于许用应力准则的船体总纵强度评估思想和方法已不再适用。
图1-1 图为搁浅油轮泄油
引入更加能够表征船体梁真实承载能力的损伤后船体梁极限强度计算，并结合船舶在不同破损进水浮态下的载荷效应分析，?可以更为合理有效地解决事故船剩余强度评估这一课题。
除此之外，基于极限强度的船体梁总纵强度评估在经济方面也有很大长处。正是因为可以精确的计算出船体结构的极限强度，借以更为准确的反映出船体结构所能承受的总纵强度，从而达到合理利用材料、减轻船体重量、降低成本的目的，让船东获得更大的经济效益。
1.2 船体结构极限强度研究概述
Thomas Young[1]不仅提出了杨氏模量，他也是第一个尝试计算船体总纵弯矩的学者。他将船体进行简化，作为在一定的波浪模式下，受到浮力和重力引起的均布载荷作用的梁来计算。此后，在第15届造船师协会上，John[2]提出了用坦谷波理论来计算船舯剖面处的最大弯矩，并把这种方法当作评估船体总纵强度的基本方法。这种方法沿用至今，当然，随着研究的不断深入，细节方面也得到了一些改进，比如计算波浪载荷的方法得到了完善，使用屈服强度和屈曲强度来代替构件的断裂强度来决定构件的板厚等等。不过，这些年来最大的进步就是引入极限强度的概念进行船体总纵强度的评估。
船体结构在外力作用下，抵抗变形和破坏的最大能力被称为船体的极限强度，通常用船体梁的总纵弯矩来衡量。Caldwell[3]在1965年首次从理论上想计算船体结构在受到总纵弯矩下的极限强度，他采用等效厚度的方法，将船体横剖面等效为无加强筋的横剖面，采用剖面的全塑性弯矩进行估计船体的极限强度，同时将折减因子引入来考虑受弯构件发生屈曲后的影响。但是Caldwell的方法会过高的估计船体的总纵极限强度，因为忽略了船体构件在超越自身极限强度后的失效。之后，很多研究人员尝试改进Caldwell的方法： Endo[4]等按照自己推推导的公式来完成船体结构极限强度的相似计算；Paik 和 Mansour[5]也提出了计算船体梁极限强度的简化方法，Paik 等[6]在这个方法中完成了考虑腐蚀损伤后的可靠性分析。
只是，上述计算方法及其派生的改进计算法仍然没有摆脱它们的固有缺陷，不能真实地反映出船体结构的真正承载能力。Caldwell的方法没有考虑到当船体的局部构件超过其自身的极限强度后失效的话会对总体强度产生的影响，所以对船体梁极限强度的估计要偏高。事实上，当船体结构少数构件因为屈服或屈曲开始失效时，并不代表整个剖面失效，船体剖面的失效是一个渐进的过程。所以，为了精确计算出船体结构的极限强度，学者们就把研究的课题转变为得出船体结构的极限承载能力。这之后，基于逐步破坏思想的一系列方法应运而生，这些方法可以有效地跟踪船体结构的整个承载过程，可以有效解决
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