摘 要

船体甲板结构作为船体结构的重要组成部分，其极限强度直接影响到船体结构极限承载能力。大跨度无支撑甲板在滚装船、客船等船舶上得到越来越多的使用。本文主要对这种新式大跨度上甲板稳定性问题进行计算研究，并针对其稳定性进行试验设计，论文的主要内容包括：

1.对一艘带有大跨度无支撑上甲板的实船甲板结构进行简化设计，得到实船的箱型梁结构。分析讨论非线性屈曲过程的研究方法，并将该方法运用到实船箱型梁极限承载能力的计算上，初步得到实船结构上甲板极限承载能力。

2.根据相似准则理论进行相似性推导与换算，得到试验模型箱型梁结构。对其进行非线性有限元计算与分析。

3.研究了试验模型箱型梁结构的、初始变形、边界条件等对其极限承载能力的影响。

4.对试验模型箱型梁结构进行试验方案设计，结合试验模型有限元结算结果，提出了满足结构实验室条件的试验方案，并通过拉伸试验得到材料换算系数。

5.非线性有限元计算研究结果表明，试验模型的极限承载能力与实船结构满足相似关系，试验模型设计方案满足船舶结构实验室要求。

关键字：大跨度无支撑甲板；甲板稳定性；非线性有限元；试验设计；极限强度

Abstract

The hull deck structure, as an important part of the hull structure, has a direct impact on the ultimate load carrying capacity of the hull structure. Long span and no support deck is used more and more widely in Ro-Ro ships, passenger ships and other ships. In this paper, the stability of this new long-span deck and the experimental design method is studied. The main contents of the thesis are:

1. To simplify the design of a unsupported long-span ship deck, the structures of the box girders can be obtained for the prototype. The method of nonlinear buckling process is analyzed and discussed and is applied to the calculation of the ultimate bearing capacity of the real tank, which help obtain the ultimate load capacity of the upper deck.

2. According to the similarity law, the similarity derivation and conversion are carried out to obtain the scale model of structures of the box girder. Nonlinear finite element analysis are carried out to obtain the ultimate bearing capacity.

3. The influence of material conversion coefficients, initial deformation and boundary conditions on the ultimate load carrying capacity of box girder structure are studied.

4. A test scheme is proposed, which meet the structural laboratory conditions, according to finite element results and test plans of the scale model of box girder.

5. The results of nonlinear finite element analysis show the similarity relationship the ultimate bearing capacity between the scale model the actual structure, and the test model is designed to meet the requirements of the laboratory.

Key Words：unsupported long-span deck; deck stability; nonlinear finite element; test design；ultimate strength

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容和研究方法 3

第2章 实船甲板箱型梁结构简化设计 5

2.1箱型梁的简化设计原则 5

2.2 箱型梁主尺度的确定 5

2.3 实际结构箱型梁设计 5

2.4 箱型梁的非线性有限元计算方法 8

2.4.1非线性屈曲分析 8

2.4.2有限元边界条件与加载设置 9

2.4.3实际箱型梁甲板结构极限承载能力计算与分析 10

第3章 试验模型设计方法 12

3.1理论基础 12

3.1.1几何相似 12

3.1.2运动相似 13

3.1.3动力相似 13

3.2实验模型设计中的相似准则 13

3.2.1模型设计的相似分析 13

3.2.2模型设计的相似准则推导 14

3.3畸变模型的设计 15

3.3.1结构模型的设计原则 15

3.3.2模型板厚与骨材合并 16

3.3.3模型缩尺比的确定 16

3.3.4试验模型高度调整 16

3.3.5实际模型与试验模型间的换算关系 17

3.4模型的结构设计 17

3.4.1模型的结构设计原则 17

3.4.2 试验模型基准剖面设计 18

3.4.3试验模型畸变剖面设计 18

3.5试验模型的非线性有限元计算与分析 20

3.6畸变模型的合理性分析 22

3.7 小结 22

第4章 模型试验设计 23

4.1模型试验设计方案 23

4.2模型边界条件对甲板稳定性的影响 23

4.2.1有限元边界条件设置 23

4.2.2模型边界条件对计算甲板承载能力的影响 25

4.3加载试验设计方案 26

4.4实验模型的加工 27

4.4.1加工注意事项 27

4.4.2模型的加工流程 27

第5章试验模型分析 28

5.1试验结果换算到实际结构箱型梁 28

5.2初始变形对试验模型极限承载能力的影响 30

5.2.1结构初始缺陷概述 30

5.2.2箱型梁结构初始变形测量方法 31

5.2.3初始缺陷的模拟 31

第6章 总结与展望 34

6.1主要结论 34

6.2论文工作不足与展望 34

致谢 35

参考文献 36

附录 38

附录1实际结构箱型梁结构重要参数计算 38

附录2试验模型箱型梁结构重要参数计算 40

第1章 绪论

1.1研究背景与研究意义

船舶结构稳定性是船舶结构强度的重要组成部分，对保证船舶结构强度安全至关重要。船舶上甲板板架结构失稳原因有很多种，其中很重要的一种原因是其受到压缩载荷作用下，不能承受巨大压缩载荷而失效，它的发生具有巨大的破坏性和突然性。通常船舶结构在达到失稳临界点前，船舶结构的实际应力却尚未达到材料的屈服极限。所以对甲板、船底结构及板架结构等结构的稳定性分析是船舶强度设计的重要部分。而甲板稳定性问题是一个相对比较复杂的问题,在船舶结构稳定性研究中属于相对重要的研究课题。甲板稳定性直接影响到船舶的总纵强度，属于现阶段船舶结构研究热点问题，针对这方面的研究较多。由于船体结构在中垂状态下其上甲板板架受到总纵弯曲的轴向压力，而上甲板板架属于距离船体中和轴最远的主要受压结构，所受的轴向压力最大，因此甲板板架很容易发生受压屈曲失稳。因此保证甲板的稳定性是保证船舶整体结构稳定性的前提条件。

一般来说，保证主甲板在受压时的稳定性是保证船体总纵强度的前提条件，同时还可以用来衡量船舶的极限承载能力。但是对于大型滚装船、客船等船舶而言，它们通常具有较大的舱容。为保证舱室的通畅性，内部通常不设立支柱。通常大舱长度可达近百米，宽度可达十几米以上。因此舱室顶部的甲板具有大跨度和无支撑的结构特点。尤其对于具有大跨度甲板的船舶，具有很深的意义与研究价值。大跨度甲板板架承受较大的纵向拉压载荷作用，如客船等的主甲板同时也作为强力甲板，甲板的失稳将直接导致主船体的破坏，所以甲板纵向受压屈曲稳定性对整个船体结构稳定性与极限强度的作用至关重要。