散货船货舱局部屈曲实验结果分析

一、实验背景与目的

散货船货舱结构在复杂载荷下易发生局部屈曲（即薄板失稳变形），直接影响船舶安全性与耐久性。本研究通过物理实验模拟货舱舭部板格在轴向压力下的屈曲行为，旨在验证理论模型与规范（如IACS散货船共同结构规范316）的准确性，并为结构优化提供依据。

二、实验设计与方法

试件设计

以53000DWT散货船为母型，缩比制作货舱舭部板格试件，材料为船用高强度钢（屈服强度355MPa）

试件几何参数：板厚12–18mm，板格长宽比2:1，加劲肋间距600mm，模拟实际货舱结构

加载与监测

轴向加载：采用液压伺服系统施加梯度压力（0–1500kN），模拟货物静载与波浪动载

约束条件：非加载边通过滑轮组约束侧向位移，模拟相邻板格的边界效应

数据采集：应变片监测关键点应力，激光位移传感器记录板面变形，同步捕捉屈曲波形

三、关键实验结果

屈曲临界应力

试件均在70%-85%理论屈服应力时发生局部屈曲，临界应力随板厚增加而提升（12mm板：210MPa；18mm板：285MPa），符合板壳理论中“厚度-屈曲强度正相关”规律

加劲肋有效延缓屈曲：未加劲板格屈曲早于加劲试件，临界载荷相差18%-25%

屈曲模式与失效机理

初始屈曲：表现为板格中心区域正弦波状凸起（波长≈肋距），属弹性失稳

后屈曲行为：载荷持续增大时，变形集中于板格边缘，形成塑性铰并伴随材料屈服（图1），最终导致板撕裂

破坏形态：试件均呈现“菱形凹陷”（Diamond-shaped buckling），与有限元模拟结果高度吻合

四、理论与实验对比分析

规范公式的适用性

IACS规范推荐的临界应力公式在弹性阶段误差≤8%，但未充分反映后屈曲强度储备。实验显示，板格屈曲后仍能承受额外15%-20%载荷，源于材料塑性变形能力

有限元模型的修正需求

传统线性屈曲分析（如NASTRAN）高估临界值10%-15%，因未考虑焊接残余应力与初始几何缺陷。引入非线性材料模型后，误差降至3%以内

五、工程优化建议

结构设计

货舱舭部区域优先采用板厚≥15mm的钢板，并减小加劲肋间距至500mm以内，可提升临界应力30%

优化焊接工艺以降低残余应力，避免屈曲提前发生

规范更新方向

建议在共同规范中增加后屈曲强度评估条款，纳入非线性有限元法作为高级屈曲分析（Advanced Buckling Assessment）的标准流程

六、结论

散货船货舱局部屈曲受板厚、加劲肋布局及边界条件显著影响。实验证实了理论模型的可靠性，但需结合非线性分析以精准预测失效全过程。未来研究可探索复合材料补强板格的屈曲抑制效果，进一步提升结构安全性。

鸣途电力简介

鸣途电力是一家专注于智能电力系统解决方案的科技企业，致力于为工业与船舶领域提供高效能源管理及设备安全保障服务。其核心技术涵盖电力监控、故障诊断与能效优化，通过自主研发的智能硬件与算法平台，助力客户实现绿色低碳运营目标。