邮轮上层建筑对船体梁极限强度的作用机理及评估方法

In recent years, cruise ships become larger and larger, the design load level is gradually close to hull girder ultimate strength, and the superstructure effectiveness at limit state is different from elastic state. However, the basic theory of cruise superstructure effect on hull girder ultimate strength hasn’t been fabricated, which restricts the safety level evaluation of hull structures for cruise ship. This project focuses on researching the influence of superstructure on hull girder ultimate strength by using whole ship NFEA, steel model experiment and theory analysis. The main content is including: (1) study the distribution characteristics of longitudinal stress and influence factors of superstructures, analyze effect of local yielding and buckling on superstructure effectiveness, and then propose a mathematical model of superstructure effectiveness from elastic to limit state; (2) analyze hull girder ultimate strength under combined action of bending and shear loads, propose an mathematical model of ultimate strength under combined action of bending moment and shear force, and evaluate the most dangerous failure model induced by superstructures local buckling; (3) propose a semi-analytic & semi-numerical method for hull girder ultimate strength based on superstructure effectiveness and shear buckling effect, and increase the calculation efficiency. The purpose of this paper is to show the nonlinear mechanical characteristics of cruise ship superstructures, fabricate a fast evaluation method of ultimate strength under bending and shear, and provide theory basis for cruise structure rule requirements, structure optimization and formal safety evaluation.

近年来邮轮大型化趋势明显，设计载荷水平逐步接近船体梁极限强度，极限状态上层建筑有效度不同于弹性状态，尚未形成上层建筑参与船体梁极限强度的理论体系，制约邮轮船体的安全水平评估。本项目拟采用整船非线性有限元、钢质模型试验与理论分析方法，研究邮轮上层建筑对船体梁极限强度的作用机理，主要内容为：(1)研究上层建筑总纵应力的分布特性与影响因素，分析局部屈服/屈曲失效对上层建筑有效度的影响，构建从弹性到极限状态上层建筑有效度的演变规律；(2)研究弯剪共同作用下船体梁极限强度，提出弯剪极限强度的数学模型，评估上层建筑局部屈曲引起的船体最危险失效模式；(3)考虑上层建筑有效度与剪切屈曲的影响，建立邮轮船体梁极限强度的半解析半数值法，提高计算效率。目的是揭示邮轮上层建筑的非线性力学性能，快速评估邮轮弯剪共同作用下船体梁极限强度，为制定邮轮规范、结构优化及综合安全评估提供理论基础。

近年来，邮轮大型化趋势明显，上层建筑甲板层数逐渐增加，随着邮轮设计载荷增加船体安全裕度逐渐降低，邮轮极限强度计算方法需重新考量。目前，尚未形成上层建筑参与船体梁极限强度的理论体系，制约邮轮船体结构安全评估。.采用整船非线性有限元、钢质模型试验与理论分析方法，研究上层建筑总纵应力的分布特性与影响因素，分析局部屈服/屈曲失效对上层建筑有效度的影响，构建从弹性到极限状态上层建筑有效度的演变规律；研究弯剪共同作用下船体梁极限强度，评估上层建筑局部屈曲引起的最危险失效模式；考虑上层建筑有效度与剪切屈曲的影响，建立邮轮船体梁极限强度的快速评估方法，提高计算效率。.邮轮上层建筑总纵应力分布受到上层建筑连续性、上层建筑长度、开口位置等因素影响，当发生局部屈服/屈曲失效后上层建筑总纵应力传递路径与应力重分布发生变化。对于中拱工况，邮轮上层建筑有效度从弹性到极限状态逐步增加；对于中垂工况，邮轮上层建筑有效度从弹性到极限状态逐步降低。开展不同弯剪组合状态的船体梁极限强度分析，构建弯矩组合工况的极限状态曲线与计算公式，形成船体最危险失效模式评估方法。根据上层建筑有效度、开口加筋板、弯剪极限强度研究成果，提出邮轮船体梁极限强度增量迭代计算方法，为邮轮船体梁极限强度快速预报提供指导。.当达到总纵弯曲极限状态时，邮轮上层建筑承担载荷占整个船体梁40%以上；如果采用弹性状态上层建筑有效度，将低估邮轮船体梁中拱极限强度约5%，高估邮轮船体梁中垂极限强度约10%；船底水压力对邮轮船体梁极限强度降低约为15%。对于船体梁承受弯剪组合工况，以弯矩与极限弯矩比值为横坐标，以剪力与极限剪力比值为纵坐标，弯剪组合工况的极限状态曲线近似表达为X与Y坐标的4次函数关系。.针对邮轮上层建筑复杂结构，本项目揭示了邮轮上层建筑的非线性力学性能，形成邮轮弯剪共同作用下船体梁极限强度预报方法，为制定邮轮规范、结构优化及综合安全评估提供理论基础。