超大型浮体横撑结构极限强度有限元分析
海洋蕴藏着其丰富的海底矿产资源、海洋动力资源、海洋空间资源等。随着我国经济的发展、人口的增长引起陆地能源的日益紧张，于是海洋开将形成如海洋油气工业、海洋化学工业等一批新兴产业。因此研制和开发超大型浮体对促进我国海洋资源、还上空间的利用以及经济的可持续发展有着极为深远的战略意义。横撑结构作为超大浮体组成构件的一部分，具有相当大的存在意义和价值。它不仅是浮体与浮体之间起连接作用的锁链，也是起到稳定浮体在海面等水域上的约束构件，更是引导了超大浮体组在水域面上排列的方向。所以横撑结构需要有足够的强度来抵抗外界载荷，研究横撑结构的意义在于分析横撑在不同条件下对其极限承载能力的影响，比如板厚的改变和具有初挠度。对分析的结果进行研究，提出对应的解决方法来提高横撑结构的极限承载能力。因此要提高超大浮体的工作寿命就需要提高横撑结构的极限承载能力。本课题根据多方面的条件以及在参考大量的文献后，对横撑结构在板厚改变和初挠度下的极限承载能力进行研究。首先建立简单的单跨梁例子进行受压极限承载力的计算，然后利用欧拉公式算出单跨梁的受压极限承载力，将软件计算的结果和利用公式计算的结果进行误差对比来校验ABAQUS软件计算的精确性和正确性。然后进入横撑结构的受压极限承载力的计算，先将横撑进行简化后进行计算，将横撑的骨材、Transverse bulkhead与Web section上的T型材面板F-F(G-G)section的骨材都除去，计算得出简化横撑结构在受压后承载力随位移的变化和极限承载力，最后再计算原尺寸的横撑结构在受压、板厚变薄、板厚变厚和具有初始挠度下的极限承载力。将上述研究得出横撑结构在不同条件下的极限承载能力进行对比，综合结果可以得知：横撑结构在增加加强材和增加板厚时其极限承载能力会相应的增加，而在有初挠度和减小板厚时其极限承载能力会相应的减小。关键词：横撑；有限元；极限承载能力;简化横撑 目录
第一章 绪论 1
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1
1.2国内外文献综述 1
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题 2
1.4本课题主要研究内容 2
第二章 ABAQUS有限元分析基础 4
2.1有限元法与数值模拟技术 4
2.1.1有限单元法分
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简化横撑 目录
第一章 绪论 1
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1
1.2国内外文献综述 1
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题 2
1.4本课题主要研究内容 2
第二章 ABAQUS有限元分析基础 4
2.1有限元法与数值模拟技术 4
2.1.1有限单元法分析 4
2.1.2有限单元法分析实现手段 5
2.2 ABAQUS软件简介 5
2.2.1 ABAQUS软件的结构 6
2.2.2 ABAQUS软件的特点 7
2.2.3 ABAQUS的分析步骤 8
第三章 单跨梁模型受压极限承载力计算 10
3.1 单跨梁压杆力学模型分析 10
3.1.1 建立单跨梁模型的原因 10
3.1.2 建立单跨梁的分析方案 10
3.1.3 建立单跨梁模型的过程 11
3.2 单跨梁压杆弹性失稳的有限元计算 12
3.3 单跨梁压杆弹性失稳的欧拉公式计算 13
第四章 超大浮体横撑结构极限强度计算 16
4.1 超大浮体横撑结构介绍 16
4.2 简化横撑结构建模方案分析 19
4.2.1 建立简化横撑结构模型的原因 19
4.2.2 建立简化横撑结构模型的分析方案 19
4.3 简化横撑结构极限强度计算 19
4.3.1 对模型进行特性设置（Property） 19
4.3.2 设置简化模型的相互作用（Interaction） 20
4.3.3 模型的边界载荷的定义（Load） 20
4.3.4 简化横撑结构极限强度计算结果 21
4.4 横撑结构受压极限强度有限元分析 22
4.4.1 横撑结构模型原尺寸特性定义 22
4.4.2 横撑结构极限强度计算结果 25
4.5 板厚对横撑结构极限强度计算的影响 27
4.5.1 板厚变薄对横撑结构极限强度计算的影响 27
4.5.2 板厚变厚对横撑结构极限强度计算的影响 28
4.6 初挠度对横撑结构极限强度计算的影响 29
4.6.1 初挠度的分析 29
4.6.2 初挠度对横撑极限强度影响的结果 32
4.7 小结 33
总结 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义
超大型浮体（VLFS）可以具有陆地所拥有的功能，其设置对于某一水域无论是在社会 经济上还是在政治军事上都占有十分重要的地位。其价值不是航母之内的大型舰船能比较的。在20世纪20年代的时候就存在以超大型浮体供飞机进行中途加油的大胆设想，由于那个时候的科技还达不到这么高的水平便暂停了。到了60年代，超大型浮体结构在水域上的应用越来越广泛，包括在海上建造城市或建造军事要塞。但是超大型浮体这个大胆的设想在国际上真正受到重视是80年代后期，在之后便陆续出现了许多与超大型浮体的研究，比如对其在各种复杂的环境载荷下的承载力的研究，并且具有了一定的理论进展，随后超大型浮体的研究便成为了目前国际上比较热门的课题。作为超大浮体的重要组成构件，横撑结构也在此在国际上成为了重要研究对象。
本课题横撑结构的研究是在ABAQUS软件的基础上进行的有限元分析，有限单元法指的是将一个完整的结构划分成许多单元，设定有限个节点与单元上，将完整的结构设想为靠节点来实现连接的单元的集成体；并选择场函数的节点值来作为计算的未知数，对于每一各单元，则设置一个近似的函数来表示此单元中场函数，从而可利用力学的方法来建立有限元方程，之后将自由度无限制的问题变成自由度有限制的问题。计算后就可以利用求出的结果表达出集成体的场函数。有限单元法的计算步骤是先将结构化为单元集成体，然后选择计算的方法，之后就可以建立平衡方程然后求得节点位移，最后就是计算每个单元模块里的应变值。有限元分析法具有多种分析类型，可根据不同的问题进行设定。可以是静力学的或动力学的问题，也可以是温度场或流场问题，可以是稳态场或瞬态场问题，也可以是线性的或非线性的问题等等。
1.2国内外文献综述
超大浮体从结构的安全使用上，首先关心的是结构物在海洋环境因素，包括风、浪、流、地震、海啸等作用下的安全问题。因此作为组成元素的横撑结构需要考虑其在各种状况下的强度问题、耐久问题，为超大浮体在各种复杂的工况和恶劣的环境下提供有效的约束和抵抗外界载荷的强度。
横撑结构是一个非实心的板材构件，是由许多不同厚度不同形状的板材零件经过合理的拼接而形成的。由于它既起到连接的作用，又起到承受各种载荷的作用，使得横撑结构在实际环境工作中承担了很大的外载荷，还有就是横撑结构的长度是很大的，所以它在实际工作中会极易受到各种外力的干扰。
美国和日本在超大浮体上的研究上更注重基础研究，其中就有撑管结构的结构强度上的各种分析。横撑结构作为超大浮体的重要组成部分，有些局部的安全裕度偏大，新增加的连接立柱舷台之间的水平横撑制约量浮体之间的横向运动，由于有效加强了平台结构的横向强度，因此要承受大部分的横向载荷。美国和日本在建立了平台有限元模型的基础上，对其在各个工况下进行了静力分析，结果显示平台上立柱与横撑的某些连接节点应力集中，所以要针对平台撑管的布置形式，得到平台满足强度规范的要求。上海交通大学的刘应中、缪国平等教授也早在八十年代末就开始了多立柱式超大型浮体结构在风浪中的受力分析研究,在横撑方面也运用了平台有限元模型进行静力分析，得出了超大浮体在立柱与撑管、浮体与横撑以及撑管与撑管的某些连接的节点应力集中的研究结果。
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题
横撑结构由于具有较大的长度，以及有板材结构组成的非实心焊接构件，所以它的稳定性是首要解决的问题。对于像横撑结构这样一个具有比较高
第一章 绪论 1
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1
1.2国内外文献综述 1
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题 2
1.4本课题主要研究内容 2
第二章 ABAQUS有限元分析基础 4
2.1有限元法与数值模拟技术 4
2.1.1有限单元法分
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简化横撑 目录
第一章 绪论 1
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义 1
1.2国内外文献综述 1
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题 2
1.4本课题主要研究内容 2
第二章 ABAQUS有限元分析基础 4
2.1有限元法与数值模拟技术 4
2.1.1有限单元法分析 4
2.1.2有限单元法分析实现手段 5
2.2 ABAQUS软件简介 5
2.2.1 ABAQUS软件的结构 6
2.2.2 ABAQUS软件的特点 7
2.2.3 ABAQUS的分析步骤 8
第三章 单跨梁模型受压极限承载力计算 10
3.1 单跨梁压杆力学模型分析 10
3.1.1 建立单跨梁模型的原因 10
3.1.2 建立单跨梁的分析方案 10
3.1.3 建立单跨梁模型的过程 11
3.2 单跨梁压杆弹性失稳的有限元计算 12
3.3 单跨梁压杆弹性失稳的欧拉公式计算 13
第四章 超大浮体横撑结构极限强度计算 16
4.1 超大浮体横撑结构介绍 16
4.2 简化横撑结构建模方案分析 19
4.2.1 建立简化横撑结构模型的原因 19
4.2.2 建立简化横撑结构模型的分析方案 19
4.3 简化横撑结构极限强度计算 19
4.3.1 对模型进行特性设置（Property） 19
4.3.2 设置简化模型的相互作用（Interaction） 20
4.3.3 模型的边界载荷的定义（Load） 20
4.3.4 简化横撑结构极限强度计算结果 21
4.4 横撑结构受压极限强度有限元分析 22
4.4.1 横撑结构模型原尺寸特性定义 22
4.4.2 横撑结构极限强度计算结果 25
4.5 板厚对横撑结构极限强度计算的影响 27
4.5.1 板厚变薄对横撑结构极限强度计算的影响 27
4.5.2 板厚变厚对横撑结构极限强度计算的影响 28
4.6 初挠度对横撑结构极限强度计算的影响 29
4.6.1 初挠度的分析 29
4.6.2 初挠度对横撑极限强度影响的结果 32
4.7 小结 33
总结 35
致谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1本研究课题的学术背景及其理论与实际意义
超大型浮体（VLFS）可以具有陆地所拥有的功能，其设置对于某一水域无论是在社会 经济上还是在政治军事上都占有十分重要的地位。其价值不是航母之内的大型舰船能比较的。在20世纪20年代的时候就存在以超大型浮体供飞机进行中途加油的大胆设想，由于那个时候的科技还达不到这么高的水平便暂停了。到了60年代，超大型浮体结构在水域上的应用越来越广泛，包括在海上建造城市或建造军事要塞。但是超大型浮体这个大胆的设想在国际上真正受到重视是80年代后期，在之后便陆续出现了许多与超大型浮体的研究，比如对其在各种复杂的环境载荷下的承载力的研究，并且具有了一定的理论进展，随后超大型浮体的研究便成为了目前国际上比较热门的课题。作为超大浮体的重要组成构件，横撑结构也在此在国际上成为了重要研究对象。
本课题横撑结构的研究是在ABAQUS软件的基础上进行的有限元分析，有限单元法指的是将一个完整的结构划分成许多单元，设定有限个节点与单元上，将完整的结构设想为靠节点来实现连接的单元的集成体；并选择场函数的节点值来作为计算的未知数，对于每一各单元，则设置一个近似的函数来表示此单元中场函数，从而可利用力学的方法来建立有限元方程，之后将自由度无限制的问题变成自由度有限制的问题。计算后就可以利用求出的结果表达出集成体的场函数。有限单元法的计算步骤是先将结构化为单元集成体，然后选择计算的方法，之后就可以建立平衡方程然后求得节点位移，最后就是计算每个单元模块里的应变值。有限元分析法具有多种分析类型，可根据不同的问题进行设定。可以是静力学的或动力学的问题，也可以是温度场或流场问题，可以是稳态场或瞬态场问题，也可以是线性的或非线性的问题等等。
1.2国内外文献综述
超大浮体从结构的安全使用上，首先关心的是结构物在海洋环境因素，包括风、浪、流、地震、海啸等作用下的安全问题。因此作为组成元素的横撑结构需要考虑其在各种状况下的强度问题、耐久问题，为超大浮体在各种复杂的工况和恶劣的环境下提供有效的约束和抵抗外界载荷的强度。
横撑结构是一个非实心的板材构件，是由许多不同厚度不同形状的板材零件经过合理的拼接而形成的。由于它既起到连接的作用，又起到承受各种载荷的作用，使得横撑结构在实际环境工作中承担了很大的外载荷，还有就是横撑结构的长度是很大的，所以它在实际工作中会极易受到各种外力的干扰。
美国和日本在超大浮体上的研究上更注重基础研究，其中就有撑管结构的结构强度上的各种分析。横撑结构作为超大浮体的重要组成部分，有些局部的安全裕度偏大，新增加的连接立柱舷台之间的水平横撑制约量浮体之间的横向运动，由于有效加强了平台结构的横向强度，因此要承受大部分的横向载荷。美国和日本在建立了平台有限元模型的基础上，对其在各个工况下进行了静力分析，结果显示平台上立柱与横撑的某些连接节点应力集中，所以要针对平台撑管的布置形式，得到平台满足强度规范的要求。上海交通大学的刘应中、缪国平等教授也早在八十年代末就开始了多立柱式超大型浮体结构在风浪中的受力分析研究,在横撑方面也运用了平台有限元模型进行静力分析，得出了超大浮体在立柱与撑管、浮体与横撑以及撑管与撑管的某些连接的节点应力集中的研究结果。
1.3横撑存在的不足或有待深入研究解决的问题
横撑结构由于具有较大的长度，以及有板材结构组成的非实心焊接构件，所以它的稳定性是首要解决的问题。对于像横撑结构这样一个具有比较高
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