一种大型船舶上层建筑船体结构简化耦合梁方法

技术领域

本发明涉及船舶结构领域，尤其涉及一种大型船舶上层建筑船体结构简化耦合梁方法。

背景技术

对于大型客船、豪华邮轮等船舶，上层建筑参与总纵弯曲的程度较大，主船体与上层建筑之间的相互作用关系非常复杂，是造船界长期关注的问题之一。在总强度设计中不计入上层建筑，显然过于保守，尤其对于带有大型上层建筑的船舶而言，上层建筑参与总纵弯曲的程度较大，不能忽略其影响。探究大型上层建筑-主船体相互作用、各向耦合关系对于改善大型客船、豪华邮轮的力学性能、结构安全等具有十分重要的意义。

现有的研究方法中，有限元法能有效模拟船体结构的力学响应，但计算精度、时间等受限于模型简化程度、结构尺度和计算机硬件配置等。理论方法具有良好的时效性，但双梁理论假定水平剪力和垂向拉压力的解析表达式为余弦三角函数，与实际受力分布存在一定差异，且没有考虑上层建筑端点效应；耦合梁理论求解难度较大且要求上层建筑、主船体长度相等、材料相同。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种大型船舶上层建筑船体结构简化耦合梁方法。

具体方案如下：

一种大型船舶上层建筑船体结构简化耦合梁方法，将整个船体视为两根互为弹性支座的梁，即上层建筑梁和主船体梁，设定主船体和上层建筑之间区域为转换层；

设定上层建筑梁和主船体梁的弯矩方程分别为：

其中，E

设定主船体和上层建筑的控制方程为：

E

E

M

设定主船体和上层建筑第i跨结构与转换层之间的纵向剪切力相同，且主船体和上层建筑在第i跨内梁的挠曲线曲率相同，则上层建筑与主船体之间的弯矩与曲率关系为：

其中，M

设定纵向位移差的计算公式为：

其中，△δ

进一步的，第i跨转换层的纵向剪切刚度的计算公式为：

其中，S1、S2、S3分别表示转换层一跨内纵舱壁、横舱壁、立柱的总数；s1、s2、s3分别表示转换层一跨内纵舱壁、横舱壁、立柱的序号；T

进一步的，纵舱壁的纵向剪切刚度T

其中，t表示纵舱壁厚度；H

进一步的，立柱和横舱壁的纵向剪切刚度的计算公式相同，即：

其中，T

进一步的，设定每跨的极限剪切位移为该跨内所有纵舱壁、横舱壁和立柱的极限剪切位移中的最小值。

进一步的，上层建筑梁和主船体梁为主船体和上层建筑简化后的长度相等且沿中横剖面对称的独立梁。

本发明采用如上技术方案，在双梁理论、耦合梁理论的基础上，通过研究上层建筑-转换层-主船体之间的各向耦合关系，提出了一种适用于带有大型上层建筑船体结构的简化耦合梁方法，能够有效表征相同或不同材料大型上层建筑与主船体的相互作用，为带有大型上层建筑船舶的极限强度研究、设计优化等提供有益参考。

附图说明

图1所示为本发明实施例中带有大型上建船体梁典型横剖面示意图。

图2所示为该实施例中船体梁中拱状态下各跨变形示意图。

图3所示为该实施例中船体梁1/4有限元模型。

图4所示为该实施例中耦合梁方法与有限元结果对比图。

图5所示为该实施例中纵向位移差与耦合刚度关系示意图。

图6所示为该实施例中弯矩分配系数示意图。

图7所示为该实施例中耦合剪力与刚度关系示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例一：

本发明实施例提供了一种大型船舶上层建筑船体结构简化耦合梁方法，下面分别从控制方程、弯矩与曲率关系、纵向剪切耦合关系和任意跨剪切刚度与极限剪切位移关系四个方面进行介绍。

(1)控制方程

研究上层建筑强度问题时，可以采取分离体方法，即将整个船体分离成主船体、上层建筑甲板和上层建筑侧壁三部分，采用弹性力学平面问题方法求解，但该方法计算繁杂，实用性不强。耦合梁方法将整个船体视为两根互为弹性支座的梁，即上层建筑梁和主船体梁。可以列出两梁的弯矩方程如下：

式中，E

引起主船体弯曲变形的弯矩分为两部分，一是由自身重力G

E

E

考虑带有大型上层建筑船舶的结构特征，以图1所示典型横剖面为基础的重复性多跨结构为例，在主船体和上层建筑之间存在明显的凹槽区域，该区域被称为转换层。取船舯至船艉区域的船体梁进行分析，其在中拱状态下的各跨变形如图2所示。

(2)弯矩与曲率关系

由第i跨转换层的纵向剪切力N

N

式中，N

由主船体和上层建筑在第i跨内梁的挠曲线相同可知：

φ

式中，φ

由自身重力和水压力等载荷引起的第i跨船体梁所受的垂向弯矩为M

M

M

式中，k

主船体和上层建筑在第i跨内梁的挠曲线曲率可分别表示为

式中，e

根据公式(5)的平衡条件，整理式(9)和(10)可以求得如下关系：

由此可见，k

(3)纵向剪切耦合关系

取主船体和上层建筑第i跨结构，定义主船体和上层建筑在各自与转换层交界面处的纵向线应变分别为ε

式中，A

综上，可以计算主船体和上层建筑在第i跨与第i+1跨结构之间的端面在转换层交界面处的纵向位移δ

式中，L表示一跨的纵向长度。

用△δ

Δδ

整理公式(13)至公式(17)，可得：

式中，e

假设半船共有n跨，第i跨转换层的纵向剪切刚度为T

将公式(19)和公式(20)带入公式(18)整理得到

通过上式可建立关于△δ

式中，α和β为系数，分别满足以下关系：

且定义刚度矩阵[K]为：

(4)任意跨剪切刚度与极限剪切位移关系

转换层的支撑构件主要是纵、横舱壁和柱子，在船体梁的总纵弯曲中，这些支撑构件主要提供了垂向耦合力和纵向耦合力。在第(3)节中假定支撑件垂向刚度足够大，本节仅考虑支撑件剪切刚度和剪切耦合力。

对于一跨内的一道纵舱壁，其纵向剪切刚度为T

式中，t表示纵舱壁厚度；H

对于一跨内的一根立柱，其剪切刚度T

式中，A

当舱壁为横舱壁时，其受到纵向剪切作用时可按柱子处理。则第i跨转换层总的剪切刚度为：

式中，S1、S2、S3分别表示转换层一跨内纵舱壁、横舱壁、立柱的总数；s1、s2、s3分别表示转换层一跨内纵舱壁、横舱壁、立柱的序号；T

将一跨内各支撑构件的极限剪切位移进行比较，取最小值作为该跨的极限剪切位移δ

δ

式中，δ

模拟实验

为提高计算效率，本实施例中分别简化主船体和上层建筑为长度相等且沿中横剖面对称的独立梁，基于有限元计算平台和现有文献资料中的相关数据，建立图3所示船体梁1/4模型。其中，计算模型的输入坐标系采用笛卡尔直角坐标系，原点设在中横剖面与基线相交处。x轴沿船纵向，由原点指向船艏方向为正；y轴沿船宽方向，由船中纵剖面指向左舷为正；z轴沿船垂向，由船体基线向上为正。如图3所示，该实施例中构建的模型沿船长方向分为15跨，每跨长度相等且几何构型一致。模型主船体为钢质材料，上层建筑为铝合金材料。节点总数为739572，单元总数为750051。其中，梁单元采用B31，数目为2348；壳单元采用S4R，数目为747703。

假设模型在中拱弯曲条件下，船体结构不发生屈曲。具体约束条件有，x＝0处为对称约束；上层建筑、主船体每一跨端面设计单独耦合点，用以施加弯矩；上层建筑与主船体之间设置耦合单元，每跨设21个。

结果对比

根据本实施例耦合梁方法计算每跨的纵向位移差，并与有限元计算结果进行对比。如图4所示，耦合梁方法与有限元结果的曲线变化趋势较为一致，各跨数据吻合度较好，每跨纵向位移差的相对误差均小于11％，由此证明了耦合梁方法的准确性和有效性。

基于耦合梁方法，以现有文献资料提供的典型横剖面为基础设计带有铝合金上层建筑-钢质主船体的客船模型，以分析不同材料上建与主船体间的耦合作用。该船总长180米，型宽18.9米，型深9.6米，上建高12米。计算时取船的1/4模型，沿船长方向分为15跨，每跨长度相等、几何构型一致。假设船体在中拱弯曲作用下，船体结构不发生屈曲。

通过公式(21)计算上建与主船体之间的纵向位移差，结果如图5所示。对应船体不同区域，纵向位移差随耦合刚度的变化趋势较为一致。为使图5中表述内容清晰，横坐标对耦合刚度T进行取对数处理。当耦合刚度较小时，位移差几乎为一定值；以lnT＝13为界(图中虚线)，纵向位移差随耦合刚度的增加而减小，且越靠近船体端部减小趋势越明显；当lnT增至20，纵向位移差随耦合刚度的变化减弱，并趋于定值。由此说明，在船体固定位置上建与主船体耦合区的刚度越大，纵向位移差越小；在整个船长范围内，若耦合区刚度一定，则越靠近船中纵向位移差越小，反之越大。

本实施例的耦合梁方法可以有效获得船体任意一跨的弯矩分配系数，如图6所示，k

计算耦合剪力N，结果见图7。对应船体不同区域，耦合剪力随刚度变化曲线的趋势较为一致。耦合刚度较小时，耦合剪力随刚度增加迅速加大，且越靠近船中这种变化趋势越剧烈；随后耦合剪力增加趋势减缓，当耦合刚度T达到1.32x10

本发明实施例通过研究船舶上层建筑-转换层-主船体之间的耦合关系，获得了一种简化的耦合梁方法，适用于豪华邮轮、大型客船等带有大型上层建筑船舶。该方法明确了耦合梁结构的控制方程以及转换层在上层建筑与主船体之间的作用，能够有效获得上层建筑与主船体之间的弯矩-曲率关系、纵向剪切耦合关系以及任意跨耦合刚度与极限剪切位移之间的关系，进而有效表征大型上层建筑与主船体间的相互作用关系。通过与有限元方法进行实例对比分析，验证了该耦合梁方法的准确性和有效性。此外，应用耦合梁方法发现，铝合金上层建筑端部参与总纵弯曲程度比中部小，愈靠近端部参与程度愈小，这弥补了双梁理论未考虑端部效应的不足；而且改善了以往耦合梁理论要求主船体、上层建筑为同一种材料的局限。为带有大型上层建筑船舶的极限强度研究、设计优化等提供了有益参考。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。