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第二章結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)
StructuralStrengthDesignandAnalysis
第一節(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析根本原理
閆發(fā)鎖
引言
1.船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程?
2.浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有哪些相似和不同?
浮式平臺(tái)與船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程一致,細(xì)節(jié)不同。
結(jié)構(gòu)根本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)總布置確定的前提下,根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分析反響Outline6hourscourseworkBasicsofstructuralplatingandshellApplicationofplatingandshellinoffshorestructuresLoadingandstressesStructuralfiniteelementanalysisFEAresultsdesignapplicationTableofContentsStrengthDesignFundamentals板殼結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)板殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布和計(jì)算方法浮式結(jié)構(gòu)常用的應(yīng)力及特點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用靜水壓的局部和整體作用整體力對(duì)板殼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響TableofContents(cont)結(jié)構(gòu)的有限元分析StructuralDesignLoadingConditions分析結(jié)果的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1StressFundamentals2StructureBending,shearandtorsioncolumn,beam,section3plateandshellbending4能量原理5柱,梁板殼的局部和整體屈曲6
FEA原理StrengthDesignFundamentals
StressVectorDefinition
應(yīng)力的矢量定義Stress-StrainRelationship應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系EquivalentStressandPrincipalStresses等效應(yīng)力和主應(yīng)力StressVectorsMaterialRelationshipforLinearMaterialThestressisrelatedtostrain: {s}=[D]{eel}
where:stressvector{s}hasthefollowingcomponents
{s}=[sxsyszsxysyzsxz]T
[D]istheelasticityorelasticstiffnessmatrixorstress-strainmatrix
{eel}istheelasticstrainvector
{eel}={e}–{eth}MaterialRelationshipforLinearMaterialThetotalstrainvector{e}canbeexpressedas:
{e}=[ex
eyezexexyeyzexz] {eth}isthethermalstrainvector
{eel}arethestrainsthatcausestresses
TheFlexibilityorComplianceMatrixWheretypicaltermsare:Ex=Young’smodulusinthexdirectionnxy=majorPoisson’srationyx=minorPoisson’sratioGxy=shearmodulusinthexyplaneTheFlexibilityorComplianceMatrixThe[D]-1matrixispresumedtobesymmetric:nyx/Ey=nxy/Exnzx/Ez=nxz/Exnzy/Ez=nyz/Eynxy,nyz,nxz,nyx,nzy,andnzxarenotindependentquantities,Poisson’sRatioTheuseofPoisson’sratiosfororthotropicmaterialssometimescauseconfusion,sothatcareshouldbetakenintheiruse.AssumingthatExislargerthanEy,nxyislargerthannyx.Hence,nxyiscommonlyreferredtoasthe“majorPoisson’sratio〞,becauseitislargerthannyx,whichiscommonlyreferredtoasthe“minorPoisson’sratio〞.Fororthotropicmaterials,weneedtoinquireofthesourceofthematerialpropertydataastowhichtypeofinputisappropriate.Forisotropicmaterials,itmakesnodifferencewhichtypeofinputisused: Ex=Ey=Ez, nxy=nyx=nxzStress-StrainRelationsex=axDT+sx/Ex–nxysy/Ex-nxzsz/Ex
ey=ayDT-nxysx/Ex+sy/Ey-nyzsz/Eyez=azDT-nxzsx/Ex–nyzsy/Ey+sz/Ezexy=sxy/Gxyeyz=syz/Gyzexz=sxz/GxzWherethetypicaltermsare:ex=directstraininthexdirectionsx=directstressinthexdirectionexy=shearstrainonthex-yplanesxy=shearstressonthex-yplaneIsotropicMaterialForisotropicmaterialandnotemperaturechanges,therelationcanbegreatlysimplified:
DT=0 E=Ex=Ey=Eznxy=nxz=nxy Gxy=Gxz=Gyzex=(sx–nsy–nsz)/Eey=(sy-nsx-nsz)/Eez=(sz-nsx–nsy)/Eexy=sxy/Geyz=syz/Gexz=sxz/GEquivalentStressTheEquivalentStressisalsocalledvonMisesstressse=(sx2+sy2-sxsy+3sxy2)1/2Wheresx,sy,
andsxyrepresentthecomponentstressesintheXandYdirections,andcomponentshearstress,respectively.PrincipalStressesPrincipalstresscalculationsareperformedtohelpidentifyareasofthestructuresubjectedtohighcyclicloads.Theseareasarethengivenspecialattentionforreasonsoffatigue. S1=(sx+sy)/2+{[(sx-sy)/2]2+sxy2}1/2 S2=(sx+sy)/2-{[(sx-sy)/2]2+sxy2}1/2UseofVariousStressesEquivalentstressisusedmostlyinanalysisGlobalstructurecontrolloadcasesselectionGlobalstresscheckStructuralstresslevelcheckComplicatejointstresscheckComponentstressesCheckstressmagnitudeinparticulardirectionUsedforstabilitycheckUsedmostlyinnormalsectionNotapplicableincomplicatecornerortransitionsUseofVariousStresses(cont.)PrincipalstressesFatigueanalysisComplicatejointstresscheckCornerortransitionstabilitycheckStressVectorsStressflowcheckLoadpassHelptounderstandthecomplicatejointsDeformationHelptounderstandstructuralbehaviorSatisfythecode/designbasisrequirementsMaterialCoordinateSystemsThefundamentalassumptionsofplatetheory1.Thematerialiselastic,homogeneous,andisotropic.2.Theplateisinitiallyflat.3.Thedeflectionofmidplaneissmallcomparedwiththethicknessoftheplate..4.Thestraightlines,initiallynormaltothemiddleplanebeforebending,remainstraightandnormaltothemiddlesurfaceduringthedeformation5.Thestressnormaltothemiddleplane,σz,issmallandmaybeneglected6.Sincethedisplacementsofaplatearesmall,itisassumedthatthemiddlesurfaceremainsunstrainedafterbending.Thefundamentalequationsofelasticitytheory
CompatibilityequationsEquilibriumequationsConstitutiveequationsGeometryequationsGoverningdifferentialequationsofplateelementGoverningdifferentialequationsbythedeflectionsBytheforcesBoundaryconditions1Clamped,orbuilt-in,orfixededgey=02Simplysupportededgex=a3Freeedgey=bVariationalprinciplesofsolidmechanicsBoundaryBoundaryconditionsTotalpotentialenergyofadeformedelasticbodyandtheloadsactingonit=U+
ThestrainenergyTheworkdoneexternalforcesInternalVariationalprinciples(a)ThePrincipleofConservationofEnergy(b)ThePrincipleofVirtualWork(c)ThePrincipleofMinimumPotentialEnergySolutionofRectangularPlatesCylindricalbendingofaplate(桶形彎曲,likeabeam〕Purebendingofplates〔純彎曲,Onlymoments〕NAVIER’SMethod(Doubleseriessolution,四邊簡(jiǎn)支)SolutionofRectangularPlates(cont.)TrytofindthesolutionsofrectangularplateswithdifferentboundaryconditionsandloadsSubjectedtoapatchloadofintensityp0=constSubjectedtoaconcentr
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