摘要：船舶结构强度进行计算的过程中如何选择更加适合的应力一直以来都是十分重要的问题，文章分析了计算过程中常见的应力选取情况。
1、前言
船舶进行结构强度计算的过程中应力从不同的角度可以分别分为中面应力表面应力，和节点应力单元节心应力两个方面，文章分析了如何选择应力。
2、中面应力与表面应力
2.1分析
船体是由许多构件组成的复杂结构,每一构件各自承担着一定的作用,其受力和变形极其复杂。但它们具有的共同特点是,在承受外部载荷后,将顺序地传递所受到的力,并发生相应的变形。构件在受力和传力的过程中会受到多种作用,产生多种应力。在传统的船体结构强度分析方法中,对于纵向强力构件,习惯上把应力人为地区分为4种,即总纵弯曲应力(1)、板架弯曲应力(2)、由纵骨弯曲引起的应力(3)和由板格局部弯曲引起的应力(4),根据各种构件在传递载荷过程中所产生的应力种类和数目,用合成应力来校核其总纵强度。这种方法是近似的和不合理的[3]。用有限元方法对船体结构进行计算分析时,无所谓总强度、横强度和局部强度之分,而且,只要网格足够细,上述纵向构件的4种弯曲应力是一起算出的,消除了上述对各种应力的合成过程中的近似性和不合理性,因此比常规的方法更有效和可靠。原则上说,用线弹性计算理论和基于屈服强度的强度准则对承受面外压力的板进行强度校核时,应采用板的上下表面应力进行校核,因为板的局部弯曲使得板的上(或下)表面的应力较其中面应力有所增加。但是,由于下面的原因,我们认为取板单元的中面应力作为工作应力是合理的:1)受到骨架支持的板格,只要骨架有足够的刚度而不失稳,板格表面小的局部屈服并不会引起其承载力的明显减小和正常使用;2)根据3种常规船型结构强度直接计算分析指南中规定的建模准则,有限元网格沿横向按纵骨间距或类似的间距划分,纵向按肋骨间距或类似的间距划分,而板壳单元采用线性位移模式的4节点四边形单元或3节点三角形单元,也就是说按照这样的网格模型,由板的局部弯曲引起的弯曲应力是算不出来的;3)正常载荷作用下,由板的局部弯曲引起的应力与板的薄膜应力相比并不大。
2.2测试模型
显然,作用在板上的横向载荷越大,板的局部弯曲越大,上述就越大。不考虑如砰击、晃荡引起的局部动力载荷时,船舶结构中的板结构一般在外底或内底所受的压力最大。为了讨论和分析在有限元计算中,板的局部弯曲应力对计算结果的影响,进行如下测试与分析。取某油轮外底板上两个肋板与两个纵桁之间的一块加筋板,用粗细两种网格、两种边界条件进行计算分析,如图1。取加筋板中央一个粗网格单元上的应力进行中面应力和表面应力的比较。由对称性知只需比较其中1、2节点和形心点的结果。主要参数:板15200mm3620mm15mm;粗网格模型对应于船舶结构直接计算指南中建模准则规定的网格。对应于结构吃水的各种计算工况,由舱段模型得到的外底板单元形心处的中面应力在165.0~235.0MPa之间。由于边界被支撑,给出的位移结果云图可知:用粗网格模型得到的将是由纵骨弯曲引起的应力;对细网格模型而言,应力中还包含板格弯曲引起的结果。纵桁和肋板对于该加筋板的支撑,界于刚性固定和自由支持之间,所以由以下计算结果得到的结论,可以一般地说明有限元计算结果中中面应力与表面应力之间的关系。
2.3讨论
由以上计算结果可知:两种边界条件下,对于中面应力而言,粗细网格得到的结果相差都不大。而表面应力却相差较大:在各指南建模准则的基础之上,中面应力对网格粗细不敏感。以上粗细网格得到的中面应力的最大差值为12.12MPa,相对于其总体应力而言误差在5%以内。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆各加筋板的局部变形情况相同或相差不多,因此纵桁和肋板对于加筋板的支撑作用更接近于四边刚性固定的情况。也就是说,以骨材间距为基准的网格足以得到比较精确的中面应力。相对于表面应力,中面应力结果相对稳定。所以采用中面应力进行强度的衡准,可以避免计算过程中的不确定性,建立一个比较统一的应力标准。对于粗网格模型,中面应力和表面应力相差不大:由于粗网格模型只能计及纵骨弯曲引起的无法计算板格弯曲引起的,而相对于板而言,纵骨的刚度较大,所以这是自然的结果。实船计算也表明,基于骨材间距的网格模型,得到的船体板中面应力与表面应力差别不大。粗网格模型下,中面应力和表面应力的最大差值仅4.13MPa,相对于其总体应力而言不足以考虑。对于细网格模型,中面应力和表面应力相差较大。其差值实际上就是板格局部弯曲引起的(还包含纵骨弯曲应力,但其中纵向应力分量相对于其总体应力水平而言并不大)。
3、节点应力和单元形心应力
从有限元理论方面讲,采用等参板壳单元时,应力计算结果在积分点处比较精确,节点处的应力由积分点处的应力外插得到,经过应力磨平后,平均得到单元形心处的应力。所以节点处的应力和单元形心处的应力一样,精度不是太高,但彼此是相当的。另一方面,单元形心处的应力作为一种平均意义上的结果,可以更好地反映应力分布的总体变化趋势和规律,从计算结果中可以看出,粗网格模型单元形心处的应力结果相对于节点结果而言,对于网格密度的不敏感性更好。因此评估板结构的强度时,选取单元形心处的应力作为工作应力是合理的。
4、应力评估选择的系统
采集系统主要用于船体结构应力与实时海况数据的采集。应力采集利用光纤光栅应变传感器，将船体结构的应变信号转化为波长信号通过光缆传输到信号解调仪，由解调仪将波长信号转化为电信号并上传至应变信号处理程序，再由应变信号处理程序将信号进行识别并转化为应力信号存储于数据库系统中，最后将应力数据由数据库系统发送至通信系统，通信系统再根据需要将其发送至其它子系统；海浪采集利用船载测波雷达，将测得的波面信号交由处理器处理后传输至数据库进行存储，再通过数据库将数据发送至通信系统。为了保证不同海况下应力数据的完整性与可靠性，将采集系统分为低海况和高海况两种工作状态，如图２中应变信号处理程序。低海况下外载荷较缓和，船体为线性响应系统，为节省资源，采样系统将以较低的采样频率运行；高海况下由于船体和波浪之间的剧烈相对运动，船体结构容易发生砰击及甲板上浪等强非线性波浪载荷作用，为了精确记录船体结构的非线性响应以便准确地评估船体结构在高海况下的安全性，采样系统将自动提高该工况下的采样频率。通信系统主要用于各设备及系统间的数据传输，确定各路信号与控制系统的接口格式与协议，保障子系统间数据传输的顺畅。设计时为实现数据准确、稳定、实时的传输，各硬件设备间的数据传输均采用串口设计。由于船舶的控制与监测系统是一个庞大而复杂的综合系统，因此需要设置上位机进行统一操控，而各监控与采集系统则设置于下位机中，对于船体结构应力监测而言，其控制系统（应力监测与评估系统）位于上位机，应力采集系统则位于下位机，由于上位机与下位机间需要进行应力数据、海浪数据、评估数据、控制参数以及其它信息等多种不同的实时信息通讯，因此上、下位机间采用网络接口设计。
5、结束语
船舶结构计算的过程中因为船舶实际运行的过程中有着复杂的运行环境，如果不能准确的找到应力汇聚点会使结构强度大幅度降低，因而应力的确定十分重要。
参考文献：
[1]龚琰,朱建群,陈浩锋.基于应力修正的土体抗剪强度影响因素分析[J].水文地质工程地质,2019,46(01):99-106.
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[3]吕伟53m远洋秋刀鱼船结构强度直接评估与计算[D].浙江海洋大学,2019.
[4]张虎威.桁拖渔船锚系泊支撑结构强度分析与研究[J].渔业现代化,2019,46(01):76-82.
论文作者:沈琪凡
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
标签：应力论文; 网格论文; 结构论文; 弯曲论文; 船体论文; 强度论文; 单元论文; 《中国西部科技》2019年第24期论文;