有限元分析论文大坝

船舶与海洋工程结构极限强度分析论文

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。下面是我收集整理的船舶与海洋工程结构极限强度分析论文，希望对您有所帮助!

摘要： 当轮船受到外部冲击载荷时，轮船整体结构就会变形，当这个变形达到最大极限状态，这时的极限状态叫做极限弯矩。轮船整体构架承受全部抗击的最强能力是极限强度。本文对船舶结构极限强度。进行了分析和研究，提出了有限元分析方法进行强度和极限分析。

关键字： 极限强度，船舶，结构，船舶与海洋工程

随着科学技术的不断进步，轮船结构以及轮船使用的材料都有很大的进步。船体的整体结构和材料成为当今社会研究的主要对象。随着计算机技术的日益成熟，船体整体结构和承受的。屈服力都可以采用软件仿真来快速精确的计算。

1.引言

船体的整体结构和承受的能力是保证轮船安全的重要保障，它关系到轮船是否安全出航和安全返航。随着先进的设计技术的进步，计算机相关设计软件已经可以。设计整体结构和仿真测试船体的整体结构。分析船体结构和整体强度是一个复杂的非线性过程，必须进行合理的划分，采用好的分析方法才能得出精确的数值。新材料的不断出现使船体材料耗费变的越来越经济合理，同时船体结构屈服强度也变的越来越理想。

在分析船舶整体结构变形和极限强度的时候，我们所研究的绝大多数问题都是属于线性的微弱形变问题。在微弱整体的结构中，位移和应变可以被线性化，等效于正比关系。但是，在实际中，不规则物体所受的应力和应变都不是线性的，常见的有悬臂梁的弯曲，U形梁的变形等等。

2.总体结构状态

船舶的总体结构状态时一个非常复杂的过程。总体结构的崩溃在过去几年是一个非常普遍的现象，它是船体结构所受冲击超过了材料本身的极限，这时候支撑梁不能够支撑船体整体结构。以上情况不足为奇，在飞机和潜艇外体上也经常出现类似情况。目前，中国的船体分析技术的研究还处于起步阶段，与国外发达国家。先进水平仍有很大的差距。为了进一步研究分析，我国投入资金和人力，在实际工程中，建立一个比较完善的船体分析系统，包括原动机转速控制系统，同步船体结构系统，轮船控制系统管理相关技术的研究，实验研究了一系列模拟各种恶劣的条件下，容易控制船体结构的一些关键技术，并做了可行性分析。船舶具有非常重要的作用，特别是对船体分。析屈服强度的分析，轮船安全可谓海军舰艇的生命线。动力和结构形成一个整体轮船系统，为船体结构极限强度分析的发展。指明了方向。

3.极限强度分析法

如何分析船舶结构的极限强度是一个复杂而且非常有意义的过程。分析这种复杂的船体结构没有一种比较准确的分析方法。在分析极限强度的时候，我们通常采用复杂问题简单化，采用线性和非线性结合的方法，有限元和边界元分析相结合的方法。

3.1逐步破坏分析法

上世纪末，美国物理学家的在基于对悬臂梁、加筋板在轴向压缩载荷作用下结构失效问题的研究成果中提出了逐步破坏的分析方法。船体结构破坏不是一个迅速变化的过程，是一个一步一步的程序，同时也不会一下子超过屈服极限，随着应力的增大逐渐的增大的逐渐破坏。在进行破坏分析的时候，首先建立屈服应力和位移的曲线关系。

3.2非线性分析法

分线性分析方法必须。对船体分析采用模块化分析，必须充分考虑如何进行分段，分段之后逐个段进行非线性分析。在这个工程中，一个段的结构有自己的不同，针对不同结构进行线性化分析和非线性化分析。每个分段包含一个骨架间距内的所有主要构件，选择或者利用发生崩溃概率最大的情况进行分析的原则，对所承受的分段骨架进行全面的分析和仿真。这种分析方法需要对每一段进行模型建立，然后一个模型模型的分析。船体总体结构的弯曲和抗屈服能力不同导致分析结果不同。

3.3有限元分析法

有限元分析方法是结构分析的简单方法，它能把复杂问题简单化，分析整体结构的节点和网格。在进行有限元分析的时候，通常对船体结构进行网格划分，然后进行网格施加约束，在均匀网格上施加可变的。激励，观察整体结构的响应。采用这种方法能模拟船体的边界条件和整体约束。有限元分析方法综合考虑。船体的形状和材料的'不同，通过不同载荷的约束，我们可以分析出结构极限(包括最大应力，最大屈服极限)。最近几年，有限元分析方法被应用在船舶整体分析和部分结构分析的案例非常多。这种分析方法有两个个缺点。一是。不能很好的模拟真实环境，不能考虑周围环境对整体结构形变的影响。第二对于结构复杂的构件，有限元分析方法对于复杂的结构不太实用，设置相关算法时间太长，不能在有效的时间完成任务。这种分析方法的优点有以下几个方面：

(1)对船体建模方式直观明了。在分析结构的时候可以采用线性划分和非线性划分网格。采用相关软件完全可以分析所有动态结构的模型和仿真。利用有限元分析模块的可视化建模窗口，动态结构的框图和模型可迅速地建立和仿真研究。用户需要选择元件库(对应的子模块程序模块)中选出比较合适的模块，然后并改变需要的形式，拖放到新建的建模窗口，鼠标点击或者画线连接都可以搭建非常可观的结构模型。他的标准库拥有的模块远远大于一百五十多种，可用于搭建和仿真各种不同的、种类变化的动态结构。模块包。括输入信号源子模块、动力学元件子模块、代数函数和非线性函数子模块、数据显示子模块模块等。模块可以被设定为触发端口和使能的端口，能用于模拟大模型结构中存在条件作用的子模型的行为。

(2)可以构建动态结构模型。可动结构的模型可以修改并进行仿真。有限元分析还可以作为一种图形化的、数字的仿真工具，用于对动态结构模型建立和操作改变规律的研究制定。

(3) 模块元件与用户代码的增添和定制。已有模块的图标都可以被用户修改，对话框的重新设定。用户完全可以把自己编写的C代码、FORTRAN代码、Ada代码直接植入模型中，此外模块库和库函数都。是可定制的，扩展以包容用户自定义的结构环节模块。。

(4)设计船舶结构模型的快速、准确。他拥有优秀的积分和微分算法，这样给非线性结构仿真带来了极大的方便，同时也带来了相对较高的计算精度。可以选择比较先进的常微分方程求解器和偏微分方程求解器，还可用于求解力学刚性的和非刚性的结构，还可以求解具有事件触发的逻辑结构，求解或不连续状态变量的结构和具有代数环和参数环的结构。软件的求解器可以确保连续结构或离散结构的仿真高速、准确的进行。

(5)复杂结构可以分层次地表达。根据个人需要，若干子结构可以由各种模块组织。按照自顶向下(从元器件到结构)或自底向上(从实现的每一个细节到整体结构)的方式搭建整个结构模型。这种分级建模能力能够使得代码丰富的、体积庞大的、结构非常复杂的模型可以简便易于行动的构建。结构子模型的层次数量和子子模块的分层次数量完全取决于所搭建的结构，软件本身不会限制到搭建的模型。有限元还提供了模型和子。模块结构浏览的功能。这样更加方便了大型复杂结构结构的操作。

(6) 仿真分析的交互式。该软件显示的示波器可以图形显示和动画的形式显示出来，数据也可以动作的形式显示，What-if分析运行中可调整参数模型进行，监视仿真结果能够在仿真运算进行时。可帮助用户不同的算法可以快速评估，进行参数优化这种交互式的特征。

由于有限元模块是全部融合于有限元，一次在有限元模块下所有的计算的结果都完全可保存到有限元软的工作空间中，因而就能使用有限元所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。

4.船舶在军事上的发展状况

在军事上的应用：在上世纪90年代，以美国为首的国家海军大力发展海军轮船性能优化，整体结构和性能得到优化。于93年提出了水面舰艇先进机械项目计划(提前海洋表面计划ASMP)。

美国的目的是建立一个国家的最先进的舰艇推进系统，能够实现远程作战和抗高撞击的能力。美国海军采用先进的智能设备，同时采用电气控制和机械控制系统。在同一时间满足指定的性能，在分析极限强度上加大了投资，军用船舶的其他方面投资也有显着的减少。随着ASMP计划进一步研究，权力一体化“和”模块化“的方法来研究船舶电力发电、运输、转化、分配。利用共享设置海军的推进装置用电、日常的用电。各种武器装备输电发电和配电系统构成的综合电力系统，美国海军相当重视电力在船舰上的应用。

我国海军在研究这方面也不逊色，国内有先进设计理论和分析方法。对船舶承载能力和撞击能力做过实验分析。

5.总结

本文介绍了船舶结构极限分析的三种不同的方法，并进行了对比分析，最后得出结论：有限元分析方法耗时比较长，但是能够很高的分析和仿真船舶结构极限。

参考文献

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[4]郭昌捷，唐翰岫，周炳焕.受损船体极限强度分析与可靠性评估.中国造船，1998(4)：49—56

1895年4月，法国Bouzey重力坝失事。事后分析，失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力。20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力，如印度的Khadakwasla等坝(Kulkarni,1994)，均因不够稳定而采取加固。1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记录，经检查，坝的设计符合规范，施工质量良好。直到1987年，通过一次以溃坝为主题的国际研讨会，才有了初步结论：左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿F1断层滑动而溃坝。1976年，当时世界上最高的土坝，美国Teton坝发生溃坝，经反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。 1985年，美国Bath County抽水蓄能电站高压钢管中的一条出现了屈曲破坏。尽管设计在钢管区域精心布置了排水幕，但由于砂岩的层状构造的特点，排水幕并未起到预期的作用。水电站高压钢管在外水压作用下屈曲破坏的事故国内外均屡有发生。高压水工隧洞产生水力劈裂也不乏实例。水工隧洞及其它隧道工程塌方事故频繁，多为岩石裂隙水的不利作用所引发。 滑坡是多发性的自然灾害。较大的天然滑坡大多是岩体中的滑坡。1963年意大利Vajont拱坝近坝左岸库区岩体大滑坡体积达2.5亿m3，在当时是有记载滑坡中规模、滑速及造成的灾害均是最大的。19世纪60年代，岩石力学，特别是岩石水力学尚处于萌芽状态，没有估计到滑坡会造成数千人死亡的重大灾害，因而未能采取有效的处理及预报措施。2000年4月，西藏易巩藏布江左岸花岗岩山体发生约3亿m3大滑坡。据分析，这次滑坡是山体积雪融化，水渗入山体而触发的。在水电站工地、公路、铁路沿线都有因人工开挖而出现岩石高边坡问题。不少人工岩石边坡因受降雨、施工用水、生活用水的影响而产生滑坡，造成程度不同的损失。许多工程因采取了以排水为主的综合处理措施而有效地防止了滑坡。 综上所述，许多工程事故都与岩石水力学有关。本文仅以几个重大工程事故的实例来说明研究、学习与掌握岩石水力学的重要性和迫切性。2 法国Malpasset拱坝溃决2.1 Malpasset拱坝简介 Malpasset双曲拱坝位于法国南部Rayran河上，坝高66m，水库总库容5100万m3。坝顶高程102.55m，顶部弧长223m。坝的厚度由顶部1.5m渐变到中央底部6.76m，属双曲薄拱坝。左岸有带翼墙的重力推力墩，长22m，厚6.50m，到地基面的混凝土的最大高度为11m，开挖深度6.5m。在坝顶中部设无闸门控制的溢洪道。坝基为片麻岩，片理倾角在30°～50°之间，倾向下游偏右岸。较大的片理中部充填糜棱岩。坝址范围内有两条主要断层。一条为近东西向的F1断层，倾角45°，倾向上游。断层带内充填含粘土的角砾岩，宽度80cm。另一条为近南北向的F2，倾向左岸，倾角70°～80°(图1)。图1 Malpasset拱坝主要地质构造 图2 Malpasset拱坝水库蓄水过程线2.2 拱坝溃坝过程 Malpasset拱坝于1954年末建成并蓄水。库水位上升缓慢。历经5年至1959年11月中旬，库水位才达到95.2m。这时的坝址下游20m，高程80m处有水自岩石中流出。因下了一场大雨，到12月2日晨，库水位猛增到100m(图2)。当日下午，工程师们到大坝视察，研究如何防止渗水的不利作用。因未发现大坝有任何异常，决定下午6点开闸放水，降低库水位。开闸后未发现任何振动现象。管理人员晚间对大坝进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21点离开大坝。21点20分，大坝突然溃决，当时库水位为100.12m。据坝下游1.5km对这一灾难少数目击者描述，他们首先感到大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波。最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，同一时间电力供应中断。洪水出峡谷后流速仍达20km/h，下游12km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽。2.3 溃坝后的调查及分析 1959年Malpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，也因在此之前尚未有拱坝溃坝的先例。事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝是由最负盛名的设计大师Andce Coyne设计的；它是当时溃坝记录中最高的坝；溃坝毁灭了Frejus市，在最富的地中海区造成重大灾害；这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim，1987)。Malpasset拱坝的失事，说明了当时对岩体内水的流动规律知之甚少。这一惨痛的教训大大促进了岩石力学，特别是岩石水力学的发展。本文将摘引已发表的文献，从岩石水力学观点分析其失事的机理。2.3.1 溃坝原因的官方分析 Malpasset拱坝所有者法国农业部于12月5日组建了一个调查委员会。几个月后提交了一个临时报告。1960年8月提出代表官方的最终报告，1962年夏报告对外公布(Laeger,1963)。该报告正文只有55页，因有40个附件，共形成三厚本报告。委员会委托法国电力公司(EDF)对大坝应力作了复核，最大压应力为6.1MPa，混凝土抗压安全系数为5.3。拱冠局部有1MPa拉应力。EDF还对拱的独立工作工况进行了校核。对左岸重力墩也进行了复核，在拱圈单独作用下重力墩是安全的。冲走的附有基岩的大量混凝土块均未发现混凝土与岩石接触面有破坏迹象。混凝土质量良好，其抗压强度为33.3MPa～53.3MPa。由此判断，坝失事是由坝基岩石引发的。委员会认为，水的渗流在坝下形成的压力引发了第一阶段的破坏(Jaeger,1979，391页)。2.3.2 坝工界对溃坝原因的讨论 法国官方最终报告公开后，引起了坝工界广泛重视。Coyne and Bellier公司对Malpsset拱坝地基片麻岩进行渗透试验(Bellier and Londe,1976)，得出了渗透性与应力明显关系。就这一关系对拱坝失事原因给出了明确的解释，并由Londe(1985，1987)在工程地基国际会议及大坝失事国际研讨会上作了报告。这一期间，还发表了一些重要论文');">论文和专著，主要有Jaeger(1963，1979)、Habib(1987)、Post和Bonazzi(1987)、Serafim(1981，1982，1987)、Wittke和Leonards(1987)及汝乃华和姜忠胜(1995)等。Malpasset拱坝失事至今已40多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识。但绝大多数专家都认为坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因。2.3.3 Londe(1987)的分析 片麻岩有片理构造。试验研究表明，当窄条形荷载与片理垂直时，应力向岩体深部传布呈扩散状，而当荷载与片理平行时，受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散(图3)。Malpasset拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系，左坝肩拱推力与片理平行，右坝肩拱推力则与片理垂直。左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大差异。由于坝左有F1断层，在左坝肩从拱座到F1断层形成高应力岩体条带。Bernaix在Malpasset拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显。将这一关系用指标S表示：图3 荷载垂直片理与平行处理应力分布S=k-1/k50 (1)式中：k-1为拉应力为0.1MPa时岩块的渗透系数，k50为压应力为5MPa时岩块的渗透系数。 试验表明，S指标最大值可达200。按岩石渗透性与应力关系的试验结果，在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝。该区域的渗透系数仅为周围岩石的渗透系数的1/100或更小。由于条带内与条带外渗透系数相差100倍，绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内。因而，在防渗条带上游就作用有相应于全水头的压力。左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1断层滑动致使拱坝溃决(图4)。2.3.4 Wittke和Leonards的分析 西德Aachen大学Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱坝遗址后，随即开展了对该坝失事原因的研究。作为Aachen大学访问学者，作者曾部分地参予了该项研究工作。Wittke从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力。结果表明，拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至F�1断层的岩块失稳(图5)，大坝溃决。图4 Londe对Malpasset拱坝溃坝原因的解释 图5 Wittke对Malpasset拱坝溃坝原因的解释图4及图5对Malpasset拱坝破坏分析形式上一致，但出发点不相同。岩体中有节理、裂隙、片理、层面及断层等各种构造面，水流主要顺这些构造而运动。对多数岩石，岩块的渗透性常可忽略不计。从这个观点，Wittke提出的Malpasset拱坝溃坝原因的分析是比较最实际的。Serafim与Wittke的观点基本一致。2.4 小结 Malpasset拱坝溃坝造成了灾害。对这一事故的分析研究加深了工程界对岩石力学的认识，并促进了岩石水力学的发展，目前已成为岩石力学的一个重要的学科分支。显然，岩石水力学的形成无论对科学的发展或对工程的安全都有重大意义。1987年在Purdue大学召开的以大坝失事为主题的国际研讨会上G.A.Leonards主席总结发言中有一段评论：“……Malpasset坝的溃决是推动初步形成的岩石力学成为一个茁壮成长的岩石工程学科的 主要动力，这一学科可以广泛应用于土木工程，包括大坝、隧道、大型地下洞室、自然岩石边坡及人工岩石边坡的稳定性各类问题上。……”