تحليل الاستوپلاستيك ورق خن كشتي تحت اثر بار فشاري درون
صفحه اي تك محوري
پدرام عدالت1، محمدرضا خدمتي2*1

1- مربي، دانشگاه صنعت نفت، محمود آباد و دانشجوي دكتري مهندسي دريا، دانشكده مهندسي كشتي سازي و صنايع دريايي،
دانشگاه صنعتي اميركبير 2- دانشيار، دانشكده مهندسي كشتي سازي و صنايع دريايي، دانشگاه صنعتي اميركبير
چكيده
در اين تحقيق به تحليل الاستوپلاستيك غيرخطي ورق خميده خن كشتي، واقع در محل اتصال كف به ديواره كناري، پرداخته شده است. با استخراج منحنيهاي تنش متوسط-كرنش متوسط از تحليلهاي اجزاي محدود بر روي مدلهايي با مشخصات ابعادي و مكانيكي متغير، تاثير هر يك از پارامترهاي موثر بر رفتار اين منحنيها مطالعه و تفسير شدهاند. جهت انجام اين تحليلها از يك نرمافزار تجاري اجزاي محدود استفاده شده و سعي بر آن بوده تا شرايط مرزي و بارگذاري مطابق با واقعيت در نظر گرفته شود. با توجه به نتايج تحليلهاي انجام شده، در اين دسته از پوستهها پس از تراز استحكام نهايي، كاهش قابل توجهاي در ظرفيت باربري مشاهده شده كه اين رفتاري متفاوت از الگوي مفروض الاستيك- كاملا پلاستيك بوده كه تاكنون براي اين ناحيه از كشتي در تحليل تدريجي استحكام نهايي بدنه كشتي مورد استفاده قرار گرفته است. در انتها، بر اساس نتايج حاصل، روابطي تجربي به منظور شبيه سازي منحني تنش متوسط- كرنش متوسط اين بخش از بدنه كشتي ارائه گرديده كه از اين روابط ميتوان در تحليل تدريجي استحكام نهايي بدنه كشتي استفاده نمود.
كلمات كليدي: ورق خَن، تحليل الاستوپلاستيك غيرخطي، تغيير شكل اوليه، استحكام نهايي

ELASTIC-PLASTIC ANALYSIS OF SHIP BILGE PLATE UNDER IN-PLANE UNIAXIAL COMPRESSIVE LOAD

P. Edalat1, M. R. Khedmati2

Lecturer, Petroleum University of Technology, Mahmood Abad and PhD Candidate, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology
Associate Professor, Faculty of Marine Technology, Amirkabir University of Technology

Abstract
This research is concerned with the nonlinear elastic-plastic analysis of ship curved bilge plate, located at the junction between ship’s side and its bottom. After derivation of average stress-average strain relationships by finite element analyses of the models with varying dimensional and mechanical characteristics, the effects of any of parameters on the trends of such relationships is studied and interpreted. A commercial finite element code is used in such analyses. The boundary and loading conditions are tried to be adopted according to real practice. It is finally observed that the behaviour of such curved plates is entirely different from elasticperfectly plastic behaviour and there is a reduction in their load carrying capacity after ultimate strength level. Finally, based on the obtained results, a set of empirical formulations are

[email protected] نويسنده مسوول مقاله *

introduced in order to simulate the average stress-average strain relationship of such plate sections of the ship. These formulations have the capability of being used in the progressive collapse analysis of ship’s hull girder.
Keywords: Bilge plate, Nonlinear elastic-plastic analysis, Initial deflection, Ultimate strength
1- مقدمه
سازه كشتي عمدتا از اجزاي سازهاي جداره نازك، مانند ورق ها و تقويت كننده ها تشكيل ميشود. با توجه به سيستم نيرويهاي منتجه از عملكرد كشتي در دريا، بارهاي فشاري درون صفحهاي براي اين دسته از اجزاي سازهاي مي توانند منشاء ايجاد كمانش و فروريزش سازهاي باشند. يكي از تحليلهاي اساسي در طراحي سازه كشتي، تحليل استحكام نهايي1 است.
جهت انجام اين تحليل، نياز به شناسايي رفتار غيرخطي اجزاي سازنده كشتي، از جمله ورقها مي باشد.
اجزاي سازه كشتي عمدتا به علت عمليات جوشكاري داراي عيوب اوليهاي ميباشند كه از جمله آنها مي توان به تنشهاي پسماند و تغيير شكلهاي اوليه اشاره كرد. از طرفي ديگر، تحقيقات بسياري از محققين بر روي ورق هاي صاف و بدون تغيير شكل اوليه و تنش پس ماند معطوف بوده است. از جمله اين تحقيقات ميتوان به[1]، [2]، [3] و [4] اشاره نمود.
در محل اتصال ديواره كناري كشتي به كف آن، ورق منحني شكل واسطي به نام ورق خَن وجود دارد كه شماتيكي از اين نحوه اتصال در شكل 1 ارائه شده است. همانطور كه در شكل 2 مشخص است، اين ورق داراي تغيير شكلهاي اوليه ميباشد. عمدتا در تحقيقات براي مدل سازي و تحليل اين محل، دو دسته ساده سازي انجام ميگيرد. در دسته اول از وجود و تاثير اين ورق صرفه نظر ميشود و در دسته دوم وجود اين ورق در نظر گرفته شده است، ولي رفتار آن الاستيك- كاملا پلاستيك فرض ميشود [5]. بنابراين احساس ميشود كه در زمينه شناسايي رفتار غير خطي و پاسخ الاستوپلاستيك اين نواحي از كشتي، پژوهشي مورد نياز است كه محققين اين مقاله بر روي آن تاكيد نمودهاند.
شرايط مرزي حاكم بر اين ناحيه خميده به گونهاي متفاوت، ويژه و وابسته به ماهيت و طبيعت سازه كشتي و نيروهاي وارده بر آن است كه با تحقيقات انجام شده توسط محققين در حوزه هوافضا و مكانيك متفاوت ميباشد.
در اين تحقيق نواحي از كف شناور به صورت پارامتريك مدل شده است. در اين مرحله فشار جانبي و تنش پسماند در نظر گرفته نشده و به تحقيقات آتي موكول شده است. اما در مقابل اثر تغيير شكلهاي اوليه و رفتار غيرخطي مصالح در نظر گرفته شده است. در ادامه با تحليل الاستوپلاستيك غيرخطي منحنيهاي تنش متوسط- كرنش متوسط براي مدل مفروض استخراج و پس از تفسير و رفتارشناسي منحنيهاي مذكور روابط تجربي حاكم بر اين نتايج نيز ارائه شده است.

2- مدل براي تحليل
در اين پژوهش، جهت تحليل از روش عددي اجزاي محدود و به جهت قابليت تعميم مدل ايجاد شده به مدلهاي ديگر، از مدل پارامتريك با قابليت تغيير در ابعاد و تنش جاري شدن استفاده شده است.
مدل در نظر گرفته شده بخشي از پوسته يك استوانه با مشخصات ارائه شده در جدول 1 ميباشد. در اين جدولL فاصله بين دو فلور2 متوالي در كشتي واقعي وR شعاع خم كاري در اين ناحيه با توجه به محدوديتهاي موجود در عمليات خم كاري فولادهاي متداول در صنايع دريايي است. تاثير تغيير در ضخامت، خواص مصالح و همچنين نسبت ابعادي ورق خن بر رفتار غيرخطي اين جزء سازهاي مطالعه شده است. از آنجايي كه پس از عمليات خمكاري تنش تسليم افزايش مي يابد؛ لذا جهت لحاظ نمودن حاشيه اطمينان بيشتر، از خواص مصالح قبل از خمكاري استفاده شده است.
به منظور استفاده از تحليل الاستوپلاستيك غيرخطي، منحني تنش كرنش مواد مورد استفاده (فولاد) مطابق شكل 3 به صورت دوخطي در نظر گرفته شده است.

شكل 1 – شماتيكي از نحوه اتصال ورق كف به ديواره كناري و محل ورق خَن

شكل 2 – نمونهاي واقعي از تغيير شكلهاي اوليه در محل ورق خَن كشتي

تغيير شكل اوليه در نظر گرفته شده جهت مدل نمودن اثرات ناشي از جوشكاري و نيز قرارگيري كشتي بر روي تكيهگاههاي ويژه در هنگام تعميرات در خارج از آب3، با توجه به الگوي رابطه (1) اعمال شده است، كه در
2461296348

آن،، و
ميباشند. در راستاي شعاع استوانه فرض شده است. شكل 4 نمايي از مدل اجزاي محدود را به همراه تغيير شكل اوليه بر روي آن با ضريب بزرگ نمايي 100 برابر نشان ميدهد [6].

w0  A0nmSinmLxSinn  (1)
mn

جدول 1- مشخصات هندسي و مكانيكي مدل مورد مطالعه
2000, 2500, 3000, 5000, 5500 [mm] (L) طول
1800 [mm] (R) شعاع
9,10,12,14,16 ضخامت ورق [mm] (t)
:
212598-121377

:

ضخيم
,

:

ضخيم

,

متوسط ,

:نازك ضريب لاغري ورق (

)
235.2,274.4,313.6 تنش جاري شدن [MPa] Y
206000 ضريب الاستيسيته [MPa] (E)
0.3 ضريب پوآسون v

شكل 3 – رفتار مكانيكي در نظر گرفته شده براي مواد

شكل 4- نمايي از مدلاجزايمحدود بههمراه تغيير شكل اوليه

3- شرايط مرزي و بارگذاري
در اين تحقيـق بـراي اعمـال شـرايط مـرزي ابتـدا موقعيت قرارگيري ورق مـورد نظـر در سـازه كـشتي و تاثير اجزاي سازهاي اطراف آن بررسي شده است. شكل 5 نمـايي سـاده شـده از محـل قرارگيـري ورق خَـن و اجزاي سازهاي اطراف آن را در كشتي نشان ميدهد.
مدل مفروض مطابق شكل از بالا به ديواره كناري شناور و از پايين به كف شناور محدود بوده و از اطراف نيـز در محل ميانه فاصله بين تقويت كننده هـاي عرضـي قـرار دارد. از طرفي از يك براكت نيز در وسط فاصـله طـولي مدل جهت بالا بردن استحكام موضـعي سـازه اسـتفاده شده است.

شكل 5 – موقعيت قرارگيري مدل مورد بررسي و المانجهاي اطراف آن

شرايط مرزي اعمال شده به شـرح زيـر در نظـر گرفتـه شده است [7]:
حركت انتقالي گره هاي قرار گرفته بر روي ضـلع (a) در راستاي Z به علت وجود ديوار جانبي، به هم كوپل و نيز تمامي حركات دوراني حول هر سه محـور بـه علـت فرض در صلبيت بالاي محل اتصال ديوار به مدل، مقيد و صفر در نظر گرفته شده است.
حركت انتقالي گرههاي قرار گرفته بـر روي ضـلع (b) در راستايY به علت وجـود ورق كـف شـناور ، بـه هـم كوپل و نيز تمامي حركات دوراني حول هر سه محور به علت فرض در صلبيت بالاي اتصال مـدل بـه ورق كـف ، مقيد و صفر در نظر گرفته شده است.
حركت انتقالي تمامي گره هاي قرار گرفته بر روي ضلع (c) در راستاي X به هم كوپل و حركت انتقالي گرههاي موجود بر روي ضلع (d) در راستاي X مقيد و صفر در نظر گرفته شده است و نيز گره هاي قرار گرفته شده بر روي اضلاع (c,d) به علت تقارن هندسي و فرض بر تقارن تغيير شكلي ورق بر روي اضلاع مورد نظر، داراي شرايط مرزي پريوديك ميباشند. شرايط مرزي پريوديك به اين صورت اعمال مي شود كه درجات آزادي دو گره انتهايي قرار گرفته شده در امتداد محورX ، در راستاي محورهايY وZ و نيز حول هرسه محور مختصات با هم كوپل شده اند.
جهت مدل نمودن تاثير براكت بر روي مدل، گرههاي موجود در محل قرارگيري براكت تمامي درجات آزادي آن به هم كوپل شده اند.
به علت اين كه در اين تحقيق منحني تنش-كرنش در حالت فشار درون صفحه اي مورد مطالعه است، به علت كوپل نمودن گرههاي واقع بر ضلع (c)، بار متمركز فشاري بر روي هر گره اين ضلع از جمله گره محل تقاطع دو ضلع  a و  c اعمال شده است. نمايي از اعمال شرايط مرزي در شكل 6 ارائه شده است.

شكل 6 – نمايي از اعمال شرايط مرزي

4- المان مورد استفاده
در مدلسازي و تحليل به روش اجزاي محدود توجه به دو اصل؛ استفاده از سادهترين نوع اجزاي محدود كه ميتواند رفتار سازه را شبيهسازي نمايد و استفاده از كمترين تعداد اجزاي محدود، باعث بهينه كردن محاسبات هم از لحاظ زمان و هم از لحاظ دقت است. از اين روي در اين تحقيق جهت مدل سازي در فضاي نرم افزار المان محدود ANSYS از المان 43SHELL استفاده شده است. اين المان داراي چهار گره و در هر گره داراي شش درجه آزادي ميباشد. همچنين مناسب جهت تحليلهاي الاستوپلاستيك و تغيير شكلهاي بزرگ است. نمايي از اين المان در شكل 7 ارائه شده است [8].

شكل 7 – نمايي از المان 43SHELL در نرمافزار
ANSYS

(الف)

(ب)

شكل 8 – صحه گذاري مدل اجزاي محدود و نتايج آن
(الف) نمايي شماتيك از مدلSP45
(ب) مقايسه نتايج تحليل در اين مطالعه و مرجع مورد نظر

صحهگذاري مدل اجزاي محدود ايجاد شده و نتايج آن در شكل 8 ارائه شده است. براي صحهگذاري مدل اجزاي محدود موجود از مدل SP45 در مرجع [9] استفاده شده است. اين مدل مطابق شكل 8 – الف ورق تقويت شده تخت با تقويت ي طولي بوده كه در اين مدلشرايط مرزي و بارگذاري كاملا مطابق با بخش (3) اين مطالعه است. همانطور كه مشاهده ميشود نتايج



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید