摘 要

加筋板结构由于其强度重量比相对较大，且具有优良的结构耐用性和经济性等的优点，被广泛应用于海洋平台、船舶等结构中。这些海洋结构物在运营过程中可能会遭受爆炸等强动载荷，导致结构中的加筋板产生塑性大变形甚至撕裂等现象，严重影响正常作业还有人员的安全，所以对加筋板结构动态塑性大变形的研究不管是在理论方面还是在实际工程的应用方面都有极其重要的意义。

目前对于拥有加强筋这样复杂的板结构，由于其各向异性和结构的不连续等原因，还没有明确的设计公式， 采用相关设计方法关注的也主要是依据总冲量和载荷峰值，而饱和冲量的研究表明基于饱和现象的爆炸载荷下加筋板设计方法更为有效准确。

本文主要选取数值仿真的方法，结合一定的理论研究，采用Autodyn软件计算了空气中爆炸冲击波传播规律，并与经验公式和实验数据进行了对比，验证了Autodyn计算在空爆下加筋板动力响应的数值模拟方法。然后用Abaqus软件在给定的一系列脉冲载荷下研究了不同加筋形式的加筋板饱和冲量现象，探讨了基于饱和冲量来研究加筋板结构动力响应的方法，并总结出了一系列规律。最后还探究了在不同载荷幅值下不同加强筋尺寸的加筋板最优加筋形式，比较了加强筋尺寸参数对加筋板动力响应情况的影响。

关键字：饱和冲量，加筋板，爆炸载荷，海洋结构物

Abstract

Stiffened plate is widely used in the structure of offshore platforms and ships, because its strength-weight ratio is relatively large, and has the advantages of structural durability and economical efficiency. These marine structures may be subjected to explosion and other dynamic loadings in the course of the operation, resulting in plastic deformation or tear in the structure of the stiffened plate, seriously affecting the operation and the safety of personnel. Therefore, it is of great significance to study the dynamic plastic response of stiffened plate structure both in theory and in engineering application.

At present, for the complex plate structure with stiffeners, there is no robust design formula because of its anisotropy and discontinuity. The relevant design method is mainly concerned with the total impulse and load peak. However, the study of saturated impulses shows that the design method of stiffened plate under explosive loadings based on saturation is more effective and accurate.

In this paper, the method of numerical simulation is adopted, combined with some theoretical researchs, Autodyn is used to calculate the law of blast shock wave in air, and the author compares with the empirical formula and experimental data to verify the method to calculate the dynamic response of stiffened plate under air blast. After that, the Abaqus is used to study the saturated impulse of stiffened plates with series of pulse loadings. The method adopted for studying the dynamic response of stiffened plate structures based on saturated impulse is discussed, and a series of laws has been summed up. Finally, the optimal reinforcement form of the stiffened plates with different stiffener dimensions under different load amplitudes is explored, and the influence of the stiffener size parameters on the dynamic response of the stiffened plate is studied.

Keywords: saturated impulse, stiffened plate, explosive loadings, marine structure

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 2

1.3 本文研究主要内容和方法 4

第2章 空气中爆炸冲击波的产生与传播 5

2.1 爆炸的基本理论 5

2.2 空气中爆炸冲击波的传播 6

2.3 冲击波在自由空气中超压峰值的经验公式 8

第3章 空爆下加筋板动力响应的数值仿真分析 10

3.1 Autodyn简介 10

3.2 空气中爆炸的自由场压力模拟 10

3.2.1 一维场模拟起爆 10

3.2.2 三维场压力计算 12

3.2.3 球状炸药压力计算的对比以及柱状炸药的压力计算 15

3.3 模拟受爆炸载荷作用的加筋方板 20

3.3.1 加筋方板的变形模式及其参数选择 20

3.3.2 加筋板的建模及参数设置 22

3.3.3 无加筋方板 23

3.3.4 单加筋板 26

3.3.5 双加筋板 27

3.3.5 十字加筋板 29

3.3.6 双十字加筋板 30

3.4 各仿真案例的结果统计对比 32

3.5 仿真与实验值的对比 33

第4章 基于饱和冲量的加筋板动力响应分析 37

4.1 Abaqus简介 37

4.2 有限元模型及参数定义 37

4.2.1 加筋板参数选择与模型设置 37

4.2.2 载荷与计算参数定义 38

4.3 结果处理与分析 40

4.3.1 加筋板中的饱和冲量现象 40

4.3.2 无加筋方板 41

4.3.3 单加筋板 42

4.3.4 双加筋板 44

4.3.5 十字加筋板 45

4.3.6 双十字加筋板 46

4.4 小结与讨论 48

4.5 实船板格仿真计算 48

第5章 加强筋质量对不同加筋板的变形的影响 52

5.1 加筋板尺寸及计算参数设定 52

5.2 变加强筋厚度对同质量不同加筋形式的加筋板变形情况的影响 53

5.3 变加强筋高度对同质量不同加筋形式的加筋板变形情况的影响 54

第6章 结论与展望 59

参考文献 61

致谢 64

附录 65

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着人类文明不断地向前发展，生存需求、资源短缺以及环境污染等问题之间的矛盾也变得愈发明显。在陆地资源越来越少的今天，为了保障社会发展的过程中有充分的资源供给，海洋资源开发已经愈来愈重要。但近年来我国因为海洋资源和领土争端日益频繁，周围的国际形势不断恶化，海洋局部战争可能一触即发。因此，增强我国海洋方面的防卫力量，推动海工装备的发展变得尤为重要。

水面舰船是海军的重要组成部分，其承担着保卫我国海域的重任。目前各种武器的不断发展已对水面舰船构成了十分严重的威胁。舰船结构在这些武器的攻击下毁伤程度如何以及怎样避免其造成严重破坏，从而提高舰船的生存以及作战能力成为了这一领域研究的重要方向^[1]。另一方面，海洋平台作为人们开发和利用海洋资源重要的基础设施，工作的环境非常复杂和恶劣，其除了遭受环境载荷以及正常的工作载荷，还会遭到爆炸、火灾等的风险载荷，而由爆炸所引发的事故不仅会造成极大的经济损失，同时也将导致严重的海洋环境污染^[2]。

图1.1 舰船以及海洋平台结构遭受爆炸冲击载荷

正是因为这些海洋结构物在运营过程中不免遭受爆炸等强动载荷，从而造成结构的严重损伤，因此爆炸载荷下结构物的设计方法已成为舰船以及一些海洋工程装备设计中极其重要的一部分。第二次世界大战以来，爆炸载荷作用下结构的变形以及失效等塑性动力响应问题的研究，由于其重要的学术价值和工程价值，受到了各国大量学者的广泛关注。