复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法技术

本发明专利技术涉及复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，包括建立有限元模型，进行网格单元划分，求解一阶模态下各单元节点位移，将最大幅值的节点位移与超大型浮体结构初始变形比较得到系数，系数与各单元节点位移相乘获得新的节点位移作为强度分析的输入；输入还包括预应力、边界条件以及由复杂载荷产生的位移；基于非线性瞬态动力分析方法，获得超大型浮体结构的失效模式、载荷、应力分布情况和结构能量耗散情况，调整由复杂载荷产生的位移获得多个载荷，进而获得极限载荷值。本发明专利技术方法方便，分析便利，使用范围广，可广泛应用于复杂载荷作用下海洋工程结构强度校核中，为初步、详细设计及结构优化等提供可靠的技术支撑。

Analysis method of ultimate strength of super large floating structure under complex loads

【技术实现步骤摘要】
复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法
本专利技术涉及海洋工程结构物安全可靠性
，尤其是一种复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法。
技术介绍
超大型浮体结构在复杂多变的海洋环境下长期使用，承受风浪流等多重载荷的共同作用，浮体的模块间通过连接器进行首尾相连。波浪载荷是其最主要、最复杂、持续作用时间最长的外界载荷；在风浪流环境长期作用下和风暴气象条件下，超大型浮体结构将产生众多的结构破坏模式。并且，在极端海况下，超大型浮体结构承受的各向载荷作用均较大，且量值相当。结构极限强度是结构物环境适应能力的重要指标。现有技术中，仅通过计算弯曲载荷作用下的极限强度，来评估结构整体的极限强度，而实际状况下，超大型浮体结构除了承受弯曲载荷作用外，还承受压缩载荷、扭矩载荷以及三者的联合构成的复杂载荷作用。因此，仅仅评估弯曲载荷作用下的极限承载能力，相对于超大型浮体结构的极限强度评估是不准确、不安全的。为了获得安全的结构设计，以提高超大型浮体结构的作业能力和极限状态下的生存能力，需要更加综合地精确评估该类结构整体的极限强度。
技术实现思路
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，从而实现结构整体极限强度的精确评估，为初步设计阶段的结构校核及优化设计提供研究基础，为详细设计阶段的安全可靠性提供有力支撑。本专利技术所采用的技术方案如下：一种复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，包括如下步骤：>第一步：建立超大型浮体结构的有限元模型，并进行网格单元划分；第二步：对上述超大型浮体结构施加载荷，并在该载荷作用下基于模态分析或是多项式拟合分析得到超大型浮体结构的一阶模态；第三步：在该一阶模态状态下，对上述所有网格单元进行静力分析，获得各个单元的节点位移，进而获得各个节点位移中的最大幅值；第四步：将超大型浮体结构的初始变形与第二步中的最大幅值进行比较，通过下述公式，获得初始变形系数；C＝w/w1其中：C为初始变形系数，w为初始变形，w1为最大幅值；第五步：根据第四步中的初始变形系数C，将第三步中各个单元的节点位移均放大C倍，获得各个单元新的节点位移；第六步：对上述超大型浮体结构施加预应力；第七步：对上述超大型浮体结构建立多点耦合，并施加边界条件；第八步：对上述超大型浮体结构施加由复杂载荷产生的位移；第九步：将第五步至第八步作为超大型浮体结构强度分析的输入，基于非线性瞬态动力分析方法，获得该输入条件下，超大型浮体结构的失效模式、载荷、应力分布情况以及结构能量耗散情况；第十步：调整第八步中的位移，并重复第九步获得该位移下的载荷；第十一步：根据第十步获得的多个载荷，得到载荷位移曲线，从而得到极限载荷；通过上述步骤，实现了复杂载荷作用下超大型浮体结构的极限强度分析，获得该超大型浮体结构的失效模式、极限载荷、应力分布情况及结构能量耗散情况。作为上述技术方案的进一步改进：调整第四步中的初始变形，重复第五步至第十一步获得该初始变形下的极限载荷，从而得到初始变形对极限载荷的影响分析。根据第九步中得到的结构能量耗散情况，确定超大型浮体结构的失效位置，并结合失效模式、应力分布情况和极限载荷，以超大型浮体结构的重量和极限载荷为目标函数，通过调整超大型浮体结构尺寸实现其单位重量的调整，重复第三步至第十一步获得该单位重量下超大型浮体结构的极限载荷，进而获得单位重量下极限载荷最大的超大型浮体结构。第八步中的复杂载荷包括压缩载荷、弯矩及扭矩载荷；压缩载荷通过强制节点位移方式施加，即在多点耦合处的主节点处施加因压缩载荷产生的位移；弯矩及扭矩载荷通过强制角位移方式施加。网格划分时，纵骨间板格划分为6～10个网格单元，加强筋腹板划分为3～6个网格单元，加强筋面板划分为1～2个网格单元。模态分析得到的一阶模态公式为：其中：[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，{x}为位移矩阵，为加速度矩阵；超大型浮体结构为单个构件进行极限强度分析时采用模态分析。多项式拟合分析得到的一阶模态公式为：其中：A0＝0.1β2tp，A0为板架结构变形幅值，β为板架柔度系数，tp为带板厚度；B0＝C0＝0.0015a，B0为加强筋垂向幅值，C0为加强筋侧向幅值；m为板格的屈曲模态数，m取满足的最小整数；hw为加强筋腹板高；x,y,z为单元节点坐标；a为纵骨间距，b为横框架间距；Wopl为板格中部的点变形产生的位移；Woc为板格整体变形产生的位移；Wos为加强筋的侧倾位移；超大型浮体结构为两个以上构件组成的部件时采用多项式拟合分析。板架结构即为超大型浮体结构，其包括带板和支撑带板的加强筋；加强筋包括横向加强筋和纵向加强筋，所述横向加强筋与纵向加强筋交汇产生的格子称为板格。初始变形是指由焊接引起的结构变形、重物掉落或设备安装造成的碰撞等引起的结构变形以及由外界载荷引起的结构变形的合成变形。本专利技术的有益效果如下：本专利技术分析紧凑、合理，操作方便，结合结构模态分析理论及非线性瞬态动力分析方法，考虑结构整体的初始变形和焊接残余应力，实现了复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的直接分析，获得超大型浮体结构的失效模式、极限载荷、应力分布及变形等参数，并通过对超大型浮体结构尺寸进行调整实现结构的优化设计；该分析方法适用范围广，可广泛应用于复杂载荷作用下海洋工程结构的强度校核，可为初步、详细设计及结构优化等提供技术支撑，工业应用前景好；并且，该方法对于形成具有独立知识产权的超大型浮体结构的研究、设计、建造和运行能力具有重要的科学意义。附图说明图1为本专利技术的极限强度分析方法的流程图。图2为本专利技术超大型浮体结构示意图。图3为本专利技术横撑结构示意图(实施例一)。图4为本专利技术横撑圆柱部网格划分示意图(实施例一)。图5为本专利技术横撑模态分析后各个单元新的节点位移示意图(实施例一)。图6为本专利技术焊接残余应力分布示意图。图7为本专利技术横撑施加预应力后的示意图(实施例一)。图8为本专利技术横撑建立多点耦合后的示意图(实施例一)。图9为本专利技术横撑施加位移后的示意图(实施例一)。图10为本专利技术横撑强度分析结果示意图(实施例一)。图11为本专利技术横撑载荷位移曲线(实施例一)。图12为本专利技术主体结构的结构示意图(实施例二，省略加强筋)。图13为图12的侧视图(实施例二)。图14为本专利技术主体结构网格划分示意图(实施例二，端头局部结构)。图15为本专利技术主体结构各个单元新的节点位移示意图(实施例二)。图16为本专利技术主体结构施加预应力后的示意图(实施例二)。图17为本专利技术主体结构建立多点耦合后的示意图(实施例二)。图18为本专利技术主体结构施加位移后的示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：/n第一步：建立超大型浮体结构的有限元模型，并进行网格单元划分；/n第二步：对上述超大型浮体结构施加载荷，并在该载荷作用下基于模态分析或是多项式拟合分析得到超大型浮体结构的一阶模态；/n第三步：在该一阶模态状态下，对上述所有网格单元进行静力分析，获得各个单元的节点位移，进而获得各个节点位移中的最大幅值；/n第四步：将超大型浮体结构的初始变形与第二步中的最大幅值进行比较，通过下述公式，获得初始变形系数；/nC＝w/w

【技术特征摘要】
1.一种复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：建立超大型浮体结构的有限元模型，并进行网格单元划分；
第二步：对上述超大型浮体结构施加载荷，并在该载荷作用下基于模态分析或是多项式拟合分析得到超大型浮体结构的一阶模态；
第三步：在该一阶模态状态下，对上述所有网格单元进行静力分析，获得各个单元的节点位移，进而获得各个节点位移中的最大幅值；
第四步：将超大型浮体结构的初始变形与第二步中的最大幅值进行比较，通过下述公式，获得初始变形系数；
C＝w/w1
其中：C为初始变形系数，w为初始变形，w1为最大幅值；
第五步：根据第四步中的初始变形系数C，将第三步中各个单元的节点位移均放大C倍，获得各个单元新的节点位移；
第六步：对上述超大型浮体结构施加预应力；
第七步：对上述超大型浮体结构建立多点耦合，并施加边界条件；
第八步：对上述超大型浮体结构施加由复杂载荷产生的位移；
第九步：将第五步至第八步作为超大型浮体结构强度分析的输入，基于非线性瞬态动力分析方法，获得该输入条件下，超大型浮体结构的失效模式、载荷、应力分布情况以及结构能量耗散情况；
第十步：调整第八步中的位移，并重复第九步获得该位移下的载荷；
第十一步：根据第十步获得的多个载荷，得到载荷位移曲线，从而得到极限载荷；
通过上述步骤，实现了复杂载荷作用下超大型浮体结构的极限强度分析，获得该超大型浮体结构的失效模式、极限载荷、应力分布情况及结构能量耗散情况。


2.如权利要求1所述的复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，其特征在于：调整第四步中的初始变形，重复第五步至第十一步获得该初始变形下的极限载荷，从而得到初始变形对极限载荷的影响分析。


3.如权利要求1所述的复杂载荷作用下超大型浮体结构极限强度的分析方法，其特征在于：根据第九步中得到的结构能量耗散情况，确定超大型浮体结构的失效位置，并结合失效模式、应力分布情况和极限载荷，以超大型浮体结构的重量和极限载荷为目标函数，通过调整超大型浮体结构尺寸实现其单位重量的调整，重复第三步至第十一步获得该单位重量下超大型浮体结构的极限载荷，进而获得单位重量下极限载荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵南，顾学康，王艺陶，刘俊杰，李政杰，张凡，祁恩荣，杨骏，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32