摘 要

目前，铝合金结构因其轻质、美观、比强度高、耐腐蚀性好等特性而得到广泛应用，在船舶结构中也被陆续引入，例如在邮轮上层建筑结构中，大跨距梁采用铝合金材料。在邮轮上建大跨距铝合金梁上，为了减轻重量和通过管路，通常会进行较大尺寸的开孔，而开孔的存在对于船体梁结构影响很大。因此，各国船级社在结构规范中都对开孔的大小，位置以及加强结构形式和尺寸有明确的规定，并在一些区域禁止对结构开孔，但是有的开孔梁在设计时会超过相关规范的允用要求，因此还需要对超过规范的开孔梁的强度进行分析。

本文在学习梁腹板开孔的相关规范和文章的基础上，归纳总结研究方法和开孔原则。研究对象为纵骨架式邮轮上层建筑的铝合金T型梁，铝合金T型梁腹板开孔位置容易出现明显的应力集中现象，一旦超过材料强度屈服极限，结构会发生破坏，降低其承载能力，甚至整体被压溃，因此将极限承载能力作为强度特性指标。运用有限元方法研究梁腹板开孔对极限承载力的影响。分别讨论了梁开单个孔时，孔的形状、大小、位置对极限承载力的影响；梁进行连续开孔时，孔的形状、孔的间距以及纵骨对极限承载力的影响；开孔加强对极限承载力的影响等等。通过对这一系列梁的模型的分析，对比其极限承载力，最终得到铝合金大跨距梁腹板大开孔的较佳开孔方案。

关键词：铝合金梁、大开孔、有限元、极限承载力

Abstract

At present, aluminum alloy structure is widely used because of its light weight, beautiful appearance, high specific strength, good corrosion resistance and other characteristics. It has also been introduced in ship structures. For example, in the superstructure of cruise ships, large span beams are made of aluminum alloy. In order to reduce weight and pass through pipelines, large-sized openings are usually made on large-span aluminum alloy beams built on cruise ships. The existence of openings has a great influence on the structure of ship hull girders. Therefore, classification societies in various countries have clear regulations on the size, location of openings, and the form and size of strengthening structures. In some areas, structural openings are prohibited, but some of them are prohibited. The perforated beams will exceed the allowable requirements of relevant codes in design, so it is necessary to analyze the strength of the perforated beams exceeding the codes.

On the basis of studying the relevant norms and articles of beam web openings, this paper summarizes the research methods and principles of openings. The research object is the aluminum alloy T-beam of the superstructure of the longitudinal frame cruise ship. The web opening of the aluminum alloy T-beam is prone to obvious stress concentration. Once it exceeds the yield limit of material strength, the structure will be damaged, the bearing capacity will be reduced, and even the whole will be crushed. Therefore, the ultimate bearing capacity will be taken as the strength characteristic index. The finite element method is used to study the influence of web opening on ultimate bearing capacity of beams. The influence of the shape, size and location of the holes on the ultimate bearing capacity is discussed when a single hole is opened; the influence of the shape, the spacing of the holes and the longitudinal bone on the ultimate bearing capacity when a continuous hole is opened; the influence of the hole reinforcement on the ultimate bearing capacity and so on are discussed. Through the analysis of the models of these beams and the comparison of their ultimate bearing capacity, a better scheme of large web opening of long-span aluminum alloy beams is finally obtained.

Key Words：aluminum alloy beams, large openings, finite element, ultimate bearing capacity

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 开孔梁研究概况 1

1.3 本文主要的研究内容 2

第2章 大跨距梁极限承载力研究 4

2.1 研究方法 4

2.2 建立有限元模型 4

2.2.1 几何模型与坐标轴 4

2.2.2 模型材料与尺寸 5

2.2.3 网格划分 5

2.2.4 边界条件与载荷 6

2.3 有限元计算结果 6

2.4 本章小结 10

第3章 梁开单孔时的强度研究 11

3.1 圆孔 11

3.1.1 开孔大小 12

3.1.2 开孔位置 16

3.2 腰圆孔 19

3.3 本章小结 23

第4章 连续开孔梁的强度研究 25

4.1 开孔形式研究 25

4.1.1 梁模型的确定 25

4.1.2 有限元计算结果及分析 25

4.1.3 开孔形式的选择 26

4.2 对于开孔间距的研究 28

4.3 本章小结 29

第5章 开孔加强梁的强度研究 30

5.1 开孔加强方式 30

5.2 环形加强方式的研究 30

5.3 本章小结 36

第6章 总结与展望 37

6.1 研究工作总结 37

6.2 未来工作展望 37

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

当代社会，随着人们生活水平的日益提升，邮轮出游也被越来越多的人所接受，大型邮轮也逐渐成为我国船舶行业的热门方向。邮轮产业被称为“漂浮在黄金水道上的黄金产业”，近年来增长速度高达8%，并且拥有1∶10的带动效应。当前，传统船舶行业陷入低谷期，我国急需促进船舶工业结构转型升级，加快建设世界造船强国步伐，其中具有高技术含量和高附加值的大型邮轮是中国船舶行业力争攻克的目标之一。大型邮轮具有庞大的上层建筑结构，从经济性、快速性和安全性考虑，需要严格控制其空船重量和重心高度,上层建筑的轻量化是控制船舶重心高度的有效举措。

铝合金材料具有轻质、美观、抗腐蚀性好等优点^[1]，在船舶领域也被广泛应用。为了实现邮轮上层建筑的轻量化，采用铝合金建造也是一个有效的途径。同样，为了达到减轻重量和通过管路的目的，一般会在上层建筑梁的腹板上进行开孔，而开孔的存在对于船体梁结构影响很大，因此各国船级社在结构规范中都对开孔的大小，位置以及加强结构形式和尺寸有明确的规定，并在一些区域禁止对结构开孔。但是有时梁上的开孔设计会超过相关规范的允用要求，因此还需要对超过规范的开孔梁的强度进行分析。

1.2 开孔梁研究概况

各船级社对腹板开孔有明确规定，具体如下：

中国船级社^[2]对腹板开孔的规定有：（1）开孔的高度应不大于腹板高度的0.4倍，开孔的长度应不大于开孔高度的3倍，开孔的边缘距面板的距离应不小于腹板高度的0.35倍； （2）任何情况下开孔边缘与面板的距离应不小于腹板高度的0.2倍，与带板的距离应不小于腹板高度的0.1倍；（3）开孔的边缘应平滑，角隅应设圆弧，孔缘与孔缘之间的距离应尽可能远离，且不小于开孔高度。

英国劳氏船级社^[3]对腹板开孔的规定有：（1）孔的高度应不超过腹板高度的1/4，且孔的位置应使其边缘与面板之间的距离不小于腹板高度的2/5，开孔的长度应不超过腹板的高度或次要构件间距的3/5（取其中较大者）；（2）开孔应有光滑的边缘和足够大的圆角。

BV船级社^[4]对腹板开孔的规定有：（1）通常肋板桁材的人孔尺寸不超过双层底高度的50%；（2）主要承力构件上的开口，通常不大于腹板高度的20%

关于规范要求开孔梁的强度，国内外很多相关方面的学者都进行了相关的研究。黄茜、张世联和郑轶刊^[5]以一受横向均布载荷的甲板强横梁为例，分析了腹板开孔梁破坏的模式及原因，得到了腹板开孔位置、大小及形状对梁的极限承载力的影响；并基于有限元数值解算结果，提出了腹板开腰圆孔梁的极限承载力预报公式。

赵应江、严仁军和王红旭^[6] 针对H型钢梁的腹板开孔加强遭受面板屈曲的情况没有详细的研究的情况，开展了6组试件的试验研究来调查腹板开孔的H型梁的失效行为和极限承载力,结果显示开孔影响了试件屈曲波的长度和数量。

Samadhan G. Morkhade^[7] 对带开孔的ISMB100型热轧钢梁进行了失效试验，利用通用有限元分析软件ANSYS对各梁进行了有限元分析，并与试验结果进行了比较，得到了优化开孔的中径比和纵横比具有重要意义的结论。

王勋^[8] 对船体桁架最常见圆孔和腰圆孔两种开孔形式进行了讨论，采用有限元法分析了两种模型的屈曲应力和开孔附件的应力集中。结果表明，当开孔尺寸较小时，两种模型的力学性能基本相同；当开口直径增加到腹板高度的0.2到0.3倍时，两种模型都有各自的优点，腰圆孔模型的稳定性稍好，但应力集中较大；当开孔尺寸增加到0.4倍时，腰圆孔的应力集中较小，稳定性较高。但在相同加筋方法下，开腰圆孔加筋桁架的力学性能不如开圆孔加筋桁架。

然而对于超过规范的开孔梁的强度，国内外只有极少的学者进行了与此有关的研究。Prof. R. Mark Lawson，Dr. Francois Hanus和Dr.‐Ing. Delphine Sonck^[9]对钢梁和组合梁的腹板大开孔进行了研究，并提供了梁开孔的设计依据。2013年，张隽华^[10]提出一种比较有效的超规范开孔设计思想，通过有限元软件，计算规范允许的最大开孔下的强梁模型（包括开孔尺寸和范围），得到规范荷载下的挠度、应力、弯曲应力和热点应力，并将其最大值作为设计标准，将超过规范的开孔和开孔加强模型进行有限元计算后得到的结果与之进行比较，以判断超过规范的模型是否能保证极限载荷下结构的安全性。

从国内外学者对开孔梁的研究中可以看出，有限元法是一种非常常用且有效的研究方法。国内外在孔高度超过腹板高度0.4倍的铝合金开孔梁强度方面的研究不多，因此本文运用有限元法对其受弯性能进行分析研究。

1.3 本文主要的研究内容

第一章，简单的介绍了邮轮上建铝合金梁结构开孔形式研究的背景和意义，并通过阅读国内外学者对开孔梁方面的研究论文，结合本文的研究方向，提出研究采用的技术方法：有限元法。

第二章，阅读了相关学者运用有限元法进行分析的文献，初步了解了有限元法的原理和运用方式。运用有限元软件ABAQUS建立了长度不同、截面相同的一系列模型，对添加边界条件、施加载荷、划分网格等细节进行摸索，最后对有限元计算结果进行分析，得出结论。

第三章，运用有限元方法研究铝合金梁开单个圆孔时，开孔大小、开孔位置对梁极限承载力的影响；研究梁开单个腰圆孔时，孔的长度与腰圆半径之比的大小对梁极限承载力的影响。

第四章，运用有限元软件建立模型，对梁上腹板具有连续开孔的结构强度进行研究，然后考虑到纵骨架式邮轮上层建筑梁会有纵骨通过，对开孔间距进行了研究。

第五章，先依据开孔加强的其他有关论文确定研究的加强方法，再根据规范对开孔加强的有关规定，确定研究的变量，然后运用有限元方法建模分析。

第六章，对全文的研究工作进行总结，分析其不足，并展望论文工作在未来的发展。

第2章 大跨距梁极限承载力研究

船体结构强度是指船体梁结构在各种使用环境下，避免整体屈曲或大变形等承载力损失或失效的能力。众所周知，船体结构在使用过程中承受着重力、货物压力、浮力和波浪力等复杂的外部环境。船体结构中的薄弱构件和局部结构发生屈曲或屈服破坏是不可避免的。在邮船上层建筑中，为保证船体结构的极限强度，关键是保证船体结构中作为主支撑的强梁构件的极限强度。因此需要对邮船上建铝合金大跨距梁的极限承载力进行研究。

2.1 研究方法

有限元方法是目前船体梁研究中最常用的方法，其极限强度预报精度高，并且适用于各种形状和尺寸的开孔。Yoshiteru Tanaka， Hiroaki Ogawa和Akira Tatsumi ^[11]就运用有限元方法对船体梁在弯扭组合作用下的极限强度进行了研究，具体为采用非线性显式有限元方法对试验模型进行分析，通过与试验和有限元分析结果的比较，讨论了简化方法的有效性。

Samadhan G. Morkhade和Laxmikant M. Gupta^[12]采用有限元软件ANSYS V.12对矩形网孔的圆角半径、开孔长宽比以及开孔位置对矩形网孔钢梁承载力的影响进行了参数化研究。

王跃兴^[13] 通过有限元数值模拟,对铝合金简支梁进行了常温和火灾下的弯扭屈曲分析,分析了载荷比、载荷类型和几何缺陷对其弯扭屈曲临界载荷和临界温度的影响。

李小玉^[14]运用ANSYS有限元分析软件对在均布荷载作用下的铝合金立柱进行了非线性有限元分析，通过比较理论计算结果和有限元分析结果来验证有限元建模的合理性和正确性。

通过阅读有限元方法相关的文章，初步了解有限元法的原理和运用方式。本文将采用有限元方法对不同型式的梁进行研究，比较分析其极限承载力，从而得到结论。本文所用的有限元软件为ABAQUS。

2.2 建立有限元模型

2.2.1 几何模型与坐标轴

本节研究建立一系列截面相同，但长度不同的梁模型，梁截面为对称I型截面，梁的具体尺寸见表2.1。有限元模型全局坐标系的x轴平行于梁的宽度方向，y轴平行于梁的高度方向，z轴平行于梁的长度方向。

2.2.2 模型材料与尺寸

模型的材料为6063-T5铝合金，其屈服应力为192.34MPa，弹性模量69000MPa，泊松比为0.33。

表2.1铝合金梁的具体尺寸(单位：mm)

2.2.3 网格划分

有限元模型的网格尺寸需要同时考虑模型尺寸和计算机性能。杨平^[15]对无孔加筋板模型的网格尺寸进行了深入的分析，得到了模型网格尺寸为17x24mm时可以得到相对准确的收敛计算结果，继续细化网格并没有明显提高计算结果的精度，但会大大增加计算机的负担。根据他的研究结果，本文的有限元模型的网格尺寸定为30 mm左右。（图2.1）

图2.1 模型的有限元网格

2.2.4 边界条件与载荷

模型的边界条件直接影响到梁的极限承载力，本章有限元模型左端限制x、y、z方向的位移，模型右端限制x、y方向的位移。本章的有限元模型采用力载荷均布于梁翼板表面的方式,载荷方向为y轴正向。

2.3 有限元计算结果

利用ABAQUS软件计算建立的梁模型，计算结束后，得到模型的应力云图（图2.2），画出LPF（载荷因子）曲线和梁翼板跨中点的位移-时间曲线，将两者合并得到位移-载荷因子曲线，输出这一曲线上每一点的x、y值到excel中，将载荷因子与总的力载荷相乘得到每一步的实际载荷，将位移和载荷数据输入到OriginPro中，画出位移载荷曲线，如图2.3、图2.4、图2.5、图2.6、图2.7。

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