1.本发明涉及船舶设计技术领域，尤其是一种船舶结构冗余度模拟计算方法。
背景技术：2.随着世界经济的快速复苏，各国的经济贸易往来日趋频繁，从而推动了航运市场的蓬勃发展。相伴而生的是，因船舶结构缺陷而导致的海运事故发生率也在上升，从而如何提高船舶结构设计的可靠性成为各国船舶业内人士亟待解决的世界性难题。针对如何完善船舶结构，使其具有足够的安全裕度，国际船级社协会(iacs)召开会议提出了对船舶结构冗余度的要求，所谓船舶的冗余设计应保证任何加强的结构构件的局部损坏都不会导致立即发生整个结构的损坏，用多余资源换取可靠性。船舶应具有足够的冗余度，以承受在任何一个加强结构构件中的局部破损。
3.目前，土木工程行业一直致力于结构冗余度的研究，并取得了显著的科研成果，但在国内船舶行业，对于船舶结构冗余度的研究较少，冗余度尚且属于新概念。结构冗余度是衡量船舶结构可靠性的指标，目前船舶结构冗余度的具体计算评估方法主要研究散货船和油船上的加筋板结构，其他结构研究较少。针对结构安全可靠性，目前的研究更多涉及船舶结构的最大承载能力，即极限承载力。现有的关于结构极限承载力的试验，大多针对小型加筋板，且为单点载荷压缩或拉伸，多点同步加载下船舶关键节点结构的极限承载力试验目前开展的尚少，导致模拟实验数据的实际应用价值较低。因此，有必要对船舶的关键节点结构开展极限承载力模拟试验，将极限承载力与结构冗余度关联起来。
技术实现要素：4.故，本发明课题组鉴于上述现有的问题以及缺陷，乃搜集相关资料，经由多方的评估及考量，并经过课题组人员不断探讨以及设计改进，最终导致该船舶结构冗余度模拟计算方法的出现。
5.为了解决上述技术问题，本发明涉及了一种船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤:
6.s1、确定出船舶关键受力区域，且选取易受损的待测试船舶取样段；
7.s2、对船舶整船建立有一次限元数值模型，且对其进行网格细化；
8.s3、对一次有限元数值模型施加“100％静载荷+100％动载荷”，分析未受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σi；
9.s4、对一次有限元数值模型进行局部修改以生成二次有限元数值模型，具体为：对未受损态待测试船舶取样段进行人为破坏以形成受损态待测试船舶取样段；
10.s5、对二次有限元数值模型进行网格细化；
11.s6、对二次有限元数值模型施加“100％静载荷+80％动载荷”，分析受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σd；
12.s7、求解出待测试船舶取样段的最大工作应力影响系数σd/σi；
13.s8：对未受损态待测试船舶取样段施加多点纯轴向施压载荷并展开试验，确定其极限强度ui；
14.s9：完全参照步骤s4中所呈现出的人为破坏形式，以将未受损态待测试船舶取样段改型为受损态待测试船舶取样段；且类比于步骤s8，确定出受损态待测试船舶取样段的极限强度ud；
15.s10、求解出待测试船舶取样段的极限强度影响系数ud/ui；
16.s11：推导出结构冗余度γ：
[0017][0018][0019]
作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤s2中，对一次有限元数值模型进行粗略网格化，且对未受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。
[0020]
类比于上述技术方案，在步骤s5中，对二次有限元数值模型进行粗略网格化，且对受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。
[0021]
作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤s4中，在未受损态待测试船舶取样段的应力集中区域开设有割裂缺口以形成受损态待测试船舶取样段。
[0022]
作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤s8和s9中，均借助于实验装置以求出未受损态待测试船舶取样段的极限强度ui以及受损态待测试船舶取样段的极限强度ud。实验装置包括有基础框、夹紧单元、施压单元以及力采集单元。基础框用来容置未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段。夹紧单元与基础框相配套应用，且协同作用以实现对未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段的初步定位操作。施压单元亦与基础框相配套应用，以向着未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段施加轴向施压载荷。力采集单元用来实时地采集施压单元所输出的轴向施压载荷。
[0023]
作为本发明技术方案的更进一步改进，施压单元由多组推力发生件构成。力采集单元包括有压力传感器与数据采集器。
[0024]
作为本发明技术方案的更进一步改进，推力发生件优选为液压千斤顶、气压千斤顶或线性推力模组。
[0025]
作为本发明技术方案的更进一步改进，在步骤s8中，其包括以下子步骤：
[0026]
s81、借由推力发生件向着未受损态待测试船舶取样段施加载荷，在此进程中，压力传感器和数据采集器协同作用以实时收集载荷数据，当未受损态待测试船舶取样段开始受力时停止加载；
[0027]
s82、开始试验，试验加载过程中多组推力发生件的加载速率保持一致，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段的变化以及所加载荷的大小；
[0028]
s83、当未受损态待测试船舶取样段脱离弹性变形范围进入塑性变形阶段后，加载速率v下降，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段的变化；
[0029]
s84、试验进行到后期，载荷出现大幅度卸载，此时未受损态待测试船舶取样段出现屈曲变形，判定此时结构失效，试验结束；
[0030]
s85、分别记录多组所述推力发生件对应的试验数据，即得出未受损态待测试船舶
取样段的极限强度ui。
[0031]
作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤s81中，正式施加载荷前，在未受损态待测试船舶取样段的弹性变形范围内，对其进行多次反复预加载，以消除未受损态待测试船舶取样段的结构残余应力。
[0032]
作为本发明技术方案的更进一步改进，在步骤s83中，施加载荷的加载速率控制在1/2v以下。
[0033]
作为本发明技术方案的进一步改进，基础框优选为焊接钢结构，其由多段型材组合焊接而成。
[0034]
本发明所公开的技术方案提供了一种基于多点同步加载以分别确定出船舶关键节点结构的最大工作应力、极限强度，且结合理论计算和试验分析，给出船舶关键节点结构冗余度，以将极限承载力与结构冗余度良好地关联起来，为今后的结构冗余度研究提供了参考。另外，经过和中远船务工程有限公司合作实验证明，此冗余计算方法与设计实际吻合性较高，具有极高的产业应用价值。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是本发明中未受损态待测试船舶取样段的结构示意图。
[0037]
图2是本发明中受损态待测试船舶取样段的结构示意图。
[0038]
图3是本发明中未受损态待测试船舶取样段相对于实验装置夹紧定位完成状态下的布置示意图。
[0039]
图4是本发明中船舶结构冗余度模拟计算方法的流程示意图。
[0040]
1-实验装置；11-基础框；12-夹紧单元；13-施压单元；2-未受损态待测试船舶取样段。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明，如图4中所示，船舶结构冗余度模拟计算方法包括以下步骤:
[0042]
s1、确定出船舶关键受力区域，且选取易受损的待测试船舶取样段；
[0043]
s2、对船舶整船建立有一次限元数值模型，且对其进行网格细化；
[0044]
s3、对一次有限元数值模型施加“100％静载荷+100％动载荷”，分析未受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σi；
[0045]
s4、对一次有限元数值模型进行局部修改以生成二次有限元数值模型，具体为：对未受损态待测试船舶取样段进行人为破坏以形成受损态待测试船舶取样段；
[0046]
s5、对二次有限元数值模型进行网格细化；
[0047]
s6、对二次有限元数值模型施加“100％静载荷+80％动载荷”，分析受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σd；
[0048]
s7、求解出待测试船舶取样段的最大工作应力影响系数σd/σi；
[0049]
s8：对未受损态待测试船舶取样段施加多点纯轴向施压载荷并展开试验，确定其极限强度ui；
[0050]
s9：完全参照步骤s4中所呈现出的人为破坏形式，以将未受损态待测试船舶取样段改型为受损态待测试船舶取样段；且类比于步骤s8，确定出受损态待测试船舶取样段的极限强度ud；
[0051]
s10、求解出待测试船舶取样段的极限强度影响系数ud/ui；
[0052]
s11：推导出结构冗余度γ：
[0053][0054][0055]
在本发明所公开的船舶结构冗余度模拟计算方法中，其基于多点同步加载以分别确定出船舶关键节点结构的最大工作应力、极限强度，且结合理论计算和试验分析，给出船舶关键节点结构冗余度，以将极限承载力与结构冗余度良好地关联起来，为今后的结构冗余度研究提供了参考。
[0056]
另外，经过和中远船务工程有限公司合作实验证明，此冗余计算方法与设计实际吻合性较高，具有极高的产业应用价值
[0057]
根据应力分析常识，有限元分析时，网格划分大小对应力分析结果有较大影响，单元越小，离散误差就越小。在模型质量允许、电脑质量能够满足时，尽可能地将细化网格划分，以确保分析精度，达到更满意的分析效果。鉴于此，出于确保所模拟求得的未受损态待测试船舶取样段最大工作应力σd与实际受力状态具有良好的吻合度，作为上述技术方案的进一步优化，在上述步骤s2中，还可对一次有限元数值模型进行粗略网格化，且对未受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。
[0058]
出于实现上述类似目的，类比于上述技术方案，在上述步骤s5中，亦可对二次有限元数值模型进行粗略网格化，且对受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。
[0059]
再者，根据设计常识，可以采取多种方案以对未受损态待测试船舶取样段进行损坏，以尽可能地真实模拟其在船舶实际航行时的受力状况，为此，在此推荐一种易于实施，且施工量相对较小的实施方案，具体如下：在步骤s4中，在未受损态待测试船舶取样段的应力集中区域优选以开设割裂缺口的方式以形成受损态待测试船舶取样段。图1、图2分别示出了是本发明中未受损态待测试船舶取样段、受损态待测试船舶取样段的结构示意图。
[0060]
作为本发明技术方案的进一步改进，如图3中所示，在步骤s8中，均借助于实验装置1以求出未受损态待测试船舶取样段2的极限强度ui以及受损态待测试船舶取样段的极限强度ud。实验装置1包括有基础框11、夹紧单元12、施压单元13以及力采集单元。基础框11用来容置未受损态待测试船舶取样段2，其优选为焊接钢结构，且由多段型材组合焊接而成。夹紧单元12与基础框11相配套应用，且协同作用以实现对未受损态待测试船舶取样段2的初步定位操作。施压单元13亦与基础框11相配套应用，以向着未受损态待测试船舶取样段2段施加轴向施压载荷。力采集单元用来实时地采集施压单元13所输出的轴向施压载荷。整个实验装置1的设计结构极为简洁、易于制造实施、且受力后状态极为稳定，从而为尽可
能真实地模拟未受损态待测试船舶取样段2的实际受力状况作良好的铺垫。
[0061]
在此需要说明的是，施压单元13优选由多组推力发生件构成。推力发生件优选为液压千斤顶。力采集单元包括有压力传感器与数据采集器。在轴向施压载荷的进程中，压力传感器始终被刚性地压靠于未受损态待测试船舶取样段和液压千斤顶之间。
[0062]
出于尽可能地实现未受损态待测试船舶取样段2在受到轴向施压载荷作用时与现实船舶船舶状态下的受力状态相吻合，确保所求得的极限强度ui结果的真实性、准确性，作为本发明技术方案的更进一步优化，在步骤s8中，其包括以下子步骤：
[0063]
s81、借由推力发生件向着未受损态待测试船舶取样段2施加载荷，在此进程中，压力传感器和数据采集器协同作用以实时收集载荷数据，当未受损态待测试船舶取样段2开始受力时停止加载；
[0064]
s82、开始试验，试验加载过程中多组推力发生件的加载速率保持一致，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段2的变化以及所加载荷的大小；
[0065]
s83、当未受损态待测试船舶取样段2脱离弹性变形范围进入塑性变形阶段后，加载速率v下降(优选为：后期施加载荷的加载速率控制在1/2v以下)，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段的变化；
[0066]
s84、试验进行到后期，载荷出现大幅度卸载，此时未受损态待测试船舶取样段2出现屈曲变形，判定此时结构失效，试验结束；
[0067]
s85、分别记录多组推力发生件对应的试验数据，即得出未受损态待测试船舶取样段的极限强度ui。
[0068]
已知，为了尽可能地真实模拟船况，未受损态待测试船舶取样段由钢板、型材(包括方钢、t形钢以及角钢等)施焊而成，进而会导致焊接残余应力的存在，如得不到有效地消除，势必会影响到极限强度ui测试结果的准确性，进而会影响到结构冗余度γ的推导精准度，鉴于此，在步骤s81中，正式施加载荷前，在未受损态待测试船舶取样段2的弹性变形范围内，对其进行多次反复预加载，以消除未受损态待测试船舶取样段的结构残余应力(主要体现为焊接残余应力)。
[0069]
最后需要说明的是，当需执行受损态待测试船舶取样段2的极限强度ud的求解操作中，亦可以借由实验装置1，且完全参照求解未受损态待测试船舶取样段2的极限强度ui的方案实施，出于缩短篇幅考虑，在此不再赘述。
[0070]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：1.一种船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，包括以下步骤:s1、确定出船舶关键受力区域，且选取易受损的待测试船舶取样段；s2、对船舶整船建立有一次限元数值模型，且对其进行网格细化；s3、对一次有限元数值模型施加“100％静载荷+100％动载荷”，分析未受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σ
i
；s4、对一次有限元数值模型进行局部修改以生成二次有限元数值模型，具体为：对未受损态待测试船舶取样段进行人为破坏以形成受损态待测试船舶取样段；s5、对二次有限元数值模型进行网格细化；s6、对二次有限元数值模型施加“100％静载荷+80％动载荷”，分析受损态待测试船舶取样段相对应区域的应力情况，确定其最大工作应力σ
d
；s7、求解出待测试船舶取样段的最大工作应力影响系数σ
d
/σ
i
；s8：对未受损态待测试船舶取样段施加多点纯轴向施压载荷并展开试验，确定其极限强度u
i
；s9：完全参照步骤s4中所呈现出的人为破坏形式，以将未受损态待测试船舶取样段改型为受损态待测试船舶取样段；且类比于步骤s8，确定出受损态待测试船舶取样段的极限强度u
d
；s10、求解出待测试船舶取样段的极限强度影响系数u
d
/u
i
；s11：推导出结构冗余度γ：s11：推导出结构冗余度γ：2.根据权利要求1所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s2中，对一次有限元数值模型进行粗略网格化，且对未受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。3.根据权利要求1所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s5中，对二次有限元数值模型进行粗略网格化，且对受损态待测试船舶取样段进行局部精细网格化。4.根据权利要求1所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s4中，在未受损态待测试船舶取样段的应力集中区域开设有割裂缺口以形成受损态待测试船舶取样段。5.根据权利要求1-4中任一项所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s8和s9中，均借助于实验装置以求出未受损态待测试船舶取样段的极限强度u
i
以及受损态待测试船舶取样段的极限强度u
d
；所述实验装置包括有基础框、夹紧单元、施压单元以及力采集单元；所述基础框用来容置未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段；所述夹紧单元与所述基础框相配套应用，且协同作用以实现对未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段的初步定位操作；所述施压单元亦与所述基础框相配套应用，以向着未受损态待测试船舶取样段或受损态待测试船舶取样段施加轴向施压载荷；所述力采集单元用来实时地采集所述施压单元所输出的轴向施压载荷。
6.根据权利要求5所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，所述施压单元由多组推力发生件构成；所述力采集单元包括有压力传感器与数据采集器。7.根据权利要求6所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，所述推力发生件为液压千斤顶、气压千斤顶或线性推力模组。8.根据权利要求7所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s8中，其包括以下子步骤：s81、借由所述推力发生件向着未受损态待测试船舶取样段施加载荷，在此进程中，所述压力传感器和所述数据采集器协同作用以实时收集载荷数据，当未受损态待测试船舶取样段开始受力时停止加载；s82、开始试验，试验加载过程中多组所述推力发生件的加载速率保持一致，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段的变化以及所加载荷的大小；s83、当未受损态待测试船舶取样段脱离弹性变形范围进入塑性变形阶段后，加载速率v下降，加载过程中实时观察未受损态待测试船舶取样段的变化；s84、试验进行到后期，载荷出现大幅度卸载，此时未受损态待测试船舶取样段出现屈曲变形，判定此时结构失效，试验结束；s85、分别记录多组所述推力发生件对应的试验数据，即得出未受损态待测试船舶取样段的极限强度u
i
。9.根据权利要求8所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s81中，正式施加载荷前，在未受损态待测试船舶取样段的弹性变形范围内，对其进行多次反复预加载，以消除未受损态待测试船舶取样段的结构残余应力。10.根据权利要求9所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，在步骤s83中，施加载荷的加载速率控制在1/2v以下。11.根据权利要求5所述的船舶结构冗余度模拟计算方法，其特征在于，所述基础框为焊接钢结构，其由多段型材组合焊接而成。
技术总结本发明涉及一种船舶结构冗余度模拟计算方法，其包括以下步骤:确定出船舶关键受力区域，且选取易受损的待测试船舶取样段；对船舶整船建立有一次限元数值模型；分别确定出未受损态待测试船舶取样段和受损态待测试船舶取样段的最大工作应力σ
技术研发人员：谷家扬 杨明山 渠基顺 张忠宇 李明昊 丁建亮 张奇英 李荣 万家平
受保护的技术使用者：江苏科技大学海洋装备研究院 招商局重工(江苏)有限公司 招商局金陵船舶（江苏）有限公司 南通中远海运船务工程有限公司
技术研发日：2022.05.19
技术公布日：2022/7/5
