散货船货舱局部屈曲实验物理模型

一、研究背景与必要性

散货船因装载特性易引发货舱结构板格屈曲失效，尤其是舭部、舱口角隅及底边舱斜板等区域，在波浪载荷或隔舱装载工况下易产生应力集中1国际船级社协会（IACS）共同规范（CSR）要求通过物理实验验证数值模拟的准确性，确保结构在极端工况下的稳定性

二、物理模型设计核心要素

缩尺比与几何相似性

以53000DWT散货船为母型，按1:10~1:20缩尺构建实验模型。覆盖典型货舱舭部分段（含底边舱、内底、舷侧板），精确还原纵骨间距（约200mm缩尺后）和强框架布局，确保几何与边界条件相似

关键区域（如底边舱与内底相交处）采用局部细化网格，模拟实际板格尺寸（如800mm×600mm板格缩至40mm×30mm），捕捉屈曲模态细节

材料与制造工艺

模型材料选用Q235钢或等效铝合金，保持弹性模量（E）和泊松比（ν）与实船一致。

焊接接头模拟实船工艺，避免残余应力干扰，同时预设腐蚀余量（如0.5mm等效减薄）

三、载荷模拟与边界条件

多工况载荷施加

静水载荷：模拟隔舱装载（重货舱满载、轻货舱空载），通过液压千斤顶施加垂向压力

波浪载荷：采用等效设计波（EDW）法，复现Hogging（中拱）、Sagging（中垂）及横浪扭矩，伺服电机控制动态载荷幅值（10⁴~10⁸概率水平）

约束条件

模型两端固定于刚性基座，模拟船体梁连续性；舷侧边界设滑动支座，释放横向变形约束

四、监测技术与失效判定

高精度监测网络

应变片布点：在舭部转角、舱口角隅等高风险区布置三向应变花，密度达5片/m²，捕捉局部屈曲萌生点

位移传感器：激光位移计监测板格面外变形，精度0.01mm，结合DIC（数字图像相关）系统全域跟踪变形场

失效准则

屈曲临界载荷：记录板格首次出现永久皱褶（≥板厚5%的永久变形）或应力突降时的载荷值

对比标准：实验结果与CSR位移法计算结果偏差＞15%时，需修正有限元模型边界条件假设

五、实验价值与工程应用

物理模型可揭示板格在弹塑性阶段的屈曲传播路径，验证数值模型对复杂边界（如肋骨肘板端部）的简化合理性51例如，某5万吨散货船实验发现底边舱斜板在非对称载荷下屈曲强度降低22%，指导实船增设纵向加强筋91此类实验为散货船结构优化与共同规范迭代提供了不可替代的实证支撑。

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