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      船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度的計(jì)算技術(shù)研究

      2019-08-26 01:19:36周啟學(xué)任晉宇
      山東工業(yè)技術(shù) 2019年23期
      關(guān)鍵詞:計(jì)算技術(shù)

      周啟學(xué) 任晉宇

      摘 要:船舶在水上行進(jìn)的過(guò)程中,所受到的力是非常復(fù)雜的,由于水流的沖擊和船體的重力以及所受的浮力之間的作用,想要計(jì)算船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是非常困難的,所以在船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中,一般是采取極限強(qiáng)度計(jì)算法和總縱強(qiáng)度計(jì)算法。船舶的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算所面對(duì)的因素更多,所以,采取船舶疲勞強(qiáng)度的校核,以及對(duì)疲勞強(qiáng)度的壽命評(píng)估,是比較系統(tǒng)的計(jì)算方式。本文淺談船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度的計(jì)算技術(shù)。

      關(guān)鍵詞:船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;疲勞強(qiáng)度;計(jì)算技術(shù)

      DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.033

      隨著人們社會(huì)的進(jìn)步,對(duì)海洋的探索近乎無(wú)止境,所以各類船舶公司的規(guī)模不斷擴(kuò)大,相對(duì)應(yīng)的傳播修理公司也隨之增加,所面臨的船舶修理任務(wù)也越來(lái)越多。在這種情況下,由于出現(xiàn)的各類問(wèn)題中,如果采取不當(dāng)?shù)男蘩矸绞?,反而?huì)進(jìn)一步降低船舶抵抗風(fēng)險(xiǎn)的能力,甚至適得其反。因此,研究船舶結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度,并進(jìn)行計(jì)算分析,然后和船舶的修理工程相結(jié)合,從而提高船舶的修理質(zhì)量,保證船舶結(jié)構(gòu)的安全性。

      1 船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

      船舶的結(jié)構(gòu)力學(xué)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),就是船體在水中航行的受力甚至變形的情況,而這些在船體的設(shè)計(jì)過(guò)程中,就會(huì)對(duì)船舶的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)在對(duì)船體結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的情況下,給定外界傳輸?shù)暮奢d,然后進(jìn)行計(jì)算船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。為了能夠便于計(jì)算,需要將船舶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,并且控制船舶外界所受到的荷載力,從而利用船舶的理論知識(shí)來(lái)計(jì)算船體在水流行進(jìn)中應(yīng)力、變形的強(qiáng)度計(jì)算。

      2 船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與計(jì)算

      船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和設(shè)計(jì)建造時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算是一致的,而在船舶的修理中,這些結(jié)構(gòu)仍然是不變的,哪怕是立法和能量法,位移法和矩陣法,都是不曾改變的。所以在這和過(guò)程中可以采取一種結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

      2.1 力學(xué)求解

      這是船舶結(jié)構(gòu)中比較基礎(chǔ),也是比較常用的方法之一,原理就是將不能夠?qū)⒖刂频囊蛩厝コ?,形成穩(wěn)定性的靜定結(jié)構(gòu),如此一來(lái),就能夠得到想要的方程式,由于去掉不確定因素后,多出現(xiàn)的變形方程式和元老結(jié)構(gòu)的方程式基本相同。以n為未知力,則會(huì)出現(xiàn)“力法正則方程式”。

      2.2 以位移法求解

      以位移法求船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,是比較全面的,主要是利用節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的設(shè)定,延后利用節(jié)點(diǎn)的一個(gè)斷面彎矩的一個(gè)平衡條件,一次來(lái)進(jìn)行求解工作。它的基本原理可以理解成從結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)找到可轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù),然后對(duì)轉(zhuǎn)角的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行約束的作用;然后再對(duì)這些節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行迫動(dòng),使之轉(zhuǎn)角,然后根據(jù)具體的方程式列出桿端彎矩,最后再建立各個(gè)節(jié)點(diǎn)的方程式,從而得出正確的答案。

      2.3 總縱強(qiáng)度的計(jì)算

      一般來(lái)說(shuō),對(duì)于船舶的總強(qiáng)度計(jì)算是有標(biāo)準(zhǔn)的,第一就是在試驗(yàn)中,將船舶放置在已經(jīng)準(zhǔn)備的模擬環(huán)境的波浪中,暫定船舶是在波浪中行進(jìn),且行進(jìn)的方向與水流的方向一致,如此,傳播和水流就處于相對(duì)靜止;第二同樣是船舶放置在已經(jīng)模擬好的環(huán)境中,標(biāo)準(zhǔn)的波形以二維坦谷波,這樣,船長(zhǎng)即波長(zhǎng),只需要按照相關(guān)的計(jì)算即可以進(jìn)行。第三是在取極限值進(jìn)行計(jì)算,即波峰與波谷兩種極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

      如此一來(lái)波浪彎矩和波浪切力都可以得到計(jì)算。

      總的來(lái)說(shuō),總縱強(qiáng)度的計(jì)算是基于船體機(jī)構(gòu)多個(gè)部件的受力計(jì)算,由于船體是多部件組成,因此,在計(jì)算中對(duì)船體結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的受力和傳力進(jìn)行合理化的分析,進(jìn)而確定船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。以橫骨架式為例,如果假定傳遞只有水的力量,那么承受水的力量必然是船體下面的底板,然后底板在依次橫固,再傳入船體的各個(gè)結(jié)構(gòu)。若已、以縱骨架式為例,仍然假定船體只收的水的力量,那么水的力量仍然是傳遞給外底板,外底板在依次傳遞給縱骨,然后是板架。所以,總縱強(qiáng)度的計(jì)算,通常要考慮各構(gòu)件之間力的傳遞,在力的傳遞中船體發(fā)橫變形或者是彎曲,這是產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力方能進(jìn)行計(jì)算。

      3 船舶疲勞強(qiáng)度

      船舶的疲勞強(qiáng)度主要是指船舶在實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中,船舶的結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿搅Φ挠绊?,?dǎo)致在船體在周期內(nèi)受到破壞。而且船體不管是有無(wú)裝載運(yùn)行,或者是大風(fēng)大浪的影響,都會(huì)受到額外的傷害,這種傷害常年雷擊,就會(huì)造成船舶疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重影響,進(jìn)而影響船體的質(zhì)量。事實(shí)上,船體的疲勞程度和船體的材料、承受力度、使用壽命等方面有著密切的聯(lián)系。因此,在船舶疲勞強(qiáng)度的計(jì)算中,迄今為止還沒有一個(gè)明確的算法,但是可以對(duì)船舶疲勞強(qiáng)度進(jìn)行一定的估算,從而大致計(jì)算出船舶的疲勞強(qiáng)度,以延長(zhǎng)船體的結(jié)構(gòu)的壽命。

      3.1 仿真軟件計(jì)算法

      現(xiàn)階段主流的仿真軟件有很多,但大體上都是軟件的本身存在著很多的龐大的數(shù)據(jù)庫(kù),能夠滿足各類實(shí)驗(yàn)的需求。以Multisim仿真軟件為例,Multisim仿真軟件主要是應(yīng)用在電路上的各種仿真模擬上,包括電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試以及分析等方面實(shí)驗(yàn),能夠直觀的展示電路的運(yùn)行狀態(tài),給學(xué)生帶來(lái)明確的知識(shí)傳遞。Multisim仿真軟件內(nèi)部蘊(yùn)含的技術(shù)是非常多的,涉及電路的多方面領(lǐng)域的知識(shí)和原理,電路自動(dòng)控制、電路模擬和危機(jī)接口電路都是其中的一環(huán)。Multisim仿真軟件有著豐富存儲(chǔ)量的元件庫(kù),不僅能夠滿足在不同條件、不同情況下的實(shí)驗(yàn),也能夠保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的逼真性,保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。

      3.2 斷裂力學(xué)方法

      一般來(lái)說(shuō),研究船舶的疲勞強(qiáng)度,很大程度上就是建立在船舶疲勞斷裂的問(wèn)題上,只有這樣,才能精準(zhǔn)的進(jìn)行船舶疲勞值的一個(gè)估算。這其中船舶的斷裂力學(xué)方法就是一種非常有效的措施。斷裂力學(xué)法,是基于Paris裂紋擴(kuò)展的一個(gè)法則,具體主要是在模擬中,假定船體的裂痕存在,(事實(shí)上,不管任何材料,從微觀意義上講都是由裂痕的存在的),那么在外力的不斷作用下,研究裂紋的一個(gè)擴(kuò)展的過(guò)程,從而判斷裂紋的產(chǎn)生對(duì)于船體疲勞強(qiáng)度的影響。

      3.3 S-N曲線

      S-N曲線法是通過(guò)無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行累計(jì),從而研究出各種船舶結(jié)構(gòu)中的S-N曲線,能夠從很大程度上反應(yīng)船體疲勞程度的一個(gè)損傷,反應(yīng)船體在運(yùn)行中剩余的一個(gè)船體的壽命,并且還能夠求出船舶結(jié)構(gòu)中疲勞分析的強(qiáng)度。所以,S-N曲線又被稱為應(yīng)力幅值曲線,是反應(yīng)船舶疲勞壽命的直觀曲線。所以,在實(shí)驗(yàn)中,以S為交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值,那么N自然就代表著在這種力度作用下船舶被破壞的應(yīng)力的一個(gè)循環(huán)次數(shù),也就是我們想要求的疲勞壽命。事實(shí)上,這種實(shí)驗(yàn)由于還存在設(shè)不確定性,因此有可能最后求出的預(yù)算值會(huì)有所偏差。比如說(shuō)在試驗(yàn)中模型是否真的能代替實(shí)際的船舶;船舶疲勞性的誤差以及疲勞書記的統(tǒng)計(jì)中的形式分布,都會(huì)影響S-N的數(shù)值?,F(xiàn)階段比較成熟的曲線坐標(biāo)中,都是一下兩種模型曲線:

      在這其中A是低周常數(shù),C是高周曲線中的常數(shù),m是低周曲線的倒數(shù),r是高周曲線的倒數(shù)。

      3.4 隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型

      隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型也是比較常用的船舶疲勞強(qiáng)度預(yù)估辦法,由于船體結(jié)構(gòu)是一直處于疲勞荷載的狀態(tài),因此交變應(yīng)力會(huì)持續(xù)增強(qiáng),逐漸累計(jì)的對(duì)船舶的疲勞強(qiáng)度造成損傷。一般來(lái)說(shuō)船舶的隨機(jī)荷載是由波浪、撞擊、發(fā)送機(jī)或者是螺旋槳、已經(jīng)船底輕微的觸碰等。疲勞積累損傷也是基于S-N的曲線,服從者很多密度函數(shù)。總的來(lái)說(shuō)隨機(jī)荷載和疲勞累計(jì)模型設(shè)計(jì)到的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算也是非常多的,就不一一列舉。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      通過(guò)各種航行經(jīng)驗(yàn),船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度是船舶的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中不可繞過(guò)的一個(gè)要點(diǎn),關(guān)系到船舶的質(zhì)量和使用壽命。因此,我們要在設(shè)計(jì)中重視這個(gè)問(wèn)題,通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算和疲勞強(qiáng)度的估算,來(lái)設(shè)計(jì)中性能優(yōu)良的船舶。

      參考文獻(xiàn):

      [1]陳伯真,胡毓仁.液化氣體船液艙結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析[J].中國(guó)造船,1993(03):69-80.

      項(xiàng)目名稱:互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程水下機(jī)器人的研發(fā)及其應(yīng)用研究

      項(xiàng)目編號(hào):B2018495

      作者簡(jiǎn)介:周啟學(xué)(1966-),男,湖北天門人,本科,研究方向:船舶工程技術(shù)、高職教育研究。

      *為通訊作者

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