1．目的及意义

1.1目的：

海洋结构物运营过程中不免遭受砰击载荷，造成结构的严重损伤，因此砰击载荷下结构物的设计方法已成为海洋结构物设计中不可或缺的重要部分。由于砰击问题在海洋工程中具有实际意义，流体的动力冲击或结构的砰击问题已经受到了广泛的研究。从设计的角度看，有必要了解结构在砰击过程中所受的载荷以及砰击发生后结构的动态响应。

近年来，由于经济、战术等原因，速度已成为船舶运行中越来越重要的因素。而在恶劣天气下试图保持高速行驶时，船舶必然会遭受海面波浪对船首、船底或其它部位的冲击力（又称砰击）。这种冲击力很容易损坏船体的局部结构或导致整个船舶发生振动。目前，对于船首的砰击问题研究一般将船首简化为具有不同底部斜升角的二维楔形体，然后提出载荷随底部斜升角变化的公式。对于楔形体而言，当底部斜升角为零时，楔形体变为平板，而楔形体的载荷公式中当斜升角为零时载荷无限大，这对平板在砰击时的载荷预报显然是不合理的，而对于平板结构在砰击载荷下还没有明确的经验设计公式。平板广泛用于船舶、海洋平台等结构中，是舰船和海洋工程装备中最主要的结构之一。而平板在较强的砰击载荷作用下不免产生塑性变形甚至发生破损。因此，砰击载荷作用下的平板塑性动力响应的研究，无论是在理论方面还是工程应用方面都具有很重要的意义。

船舶相关规范中目前所采用的设计方法主要关注总冲量和载荷峰值，而饱和冲量的研究表明并不是所有的载荷脉冲都对结构的塑性动力响应造成影响。“饱和冲量”现象是结构动态塑性大变形行为中的一个特征现象：板在受到强烈的横向动力脉冲载荷时会产生一个大的弹塑性变形；同时大变形诱发的膜力又能增强板的承载力。因此，如果一块板受到足够长时间的脉冲作用,就只有脉冲的早期部分对最大和永久变形有影响,其余的加载脉冲不会使这些变形量产生进一步增加，因此，基于饱和冲量的设计方法更加准确有效。

本文拟采用数值分析方法与试验相结合的方法研究平板结构在砰击载荷下的设计方法，探讨其在砰击载荷下的饱和冲量机理，给出基于饱和现象的砰击载荷下的海洋外板设计方法。

1.2意义：

长期以来学者们对处于砰击载荷作用下结构的塑性动力响应问题做了大量的研究工作。Jones^[1]对圆形、方形以及矩形板在冲击荷载、压力脉冲或爆炸荷载作用下的动态塑性响应进行了深入研究，给出了理论公式和数值方法。Greenspon^[2]发现了砰击时载荷与时间的曲线近似为一个三角脉冲。Jones^[3]在Greenspon基础上提出了一种简单的理论方法，用于研究砰击载荷对船底板的累计损伤。结构入水冲击（又称砰击）问题的研究是随着水上飞机的诞生开始的，最早研究冲击入水动压力的是Von ^[4]，他分析了飞机降落过程中的冲击现象，对砰击过程中压力分布问题提出了一般渐进理论，并提出了二维楔形体入水时的压力随底升角变化的分布公式，然而此公式对于底升角为零的情况不适合。Wagner^[5]在1932年对Von的方法进行了修正，引入势流理论，将楔形体等效为一个扩展的平板，流体以结构入水的速度冲击该平板，通过对速度势的求解和贝努利方程，得出了作用于平板上的冲击压力。Wagner发现由于水波的驱动在流固分离点附件有隆起的水堆，使物体湿表面有所增加。因此他在Von的方法中加入了一个水波影响因子，使结果更符合实际。

对于平板结构砰击问题的研究，1966年，Chuang^[6]在用平底板自由下落在自由水表面上进行了几次测试之后发现，位于板中心的压力传感器记录的最大压力与冲击速度之间存在线性关系。Chuang在试验平板的边缘安装的压力传感器证实了平板在砰击时的压力是均匀分布的。由于渐进理论的载荷公式不适用于平板结构，Chuang^[7]在1967年对楔形体做了更多的试验，目的就是为了克服渐进理论对底升角为零时的适用性。Chuang在第二次试验中证实了滞留空气的存在，当底升角趋近于零时，滞留空气对压力的影响是不可忽略的。Ng和Kot^[8]在1992年使用流体体积法进行数值建模，验证了气流在平板砰击中的重要性。Battley^[9]等人用水压试验机进行了几组试验，作者还分析了在砰击过程中夹层平板的压力载荷和弹性响应。陈震和肖熙^[10]等人通过对平板结构砰击载荷下数值仿真，得到了平底结构的砰击面上的压力分布并不是均匀分布的，而是中间压力最大，向两侧逐渐减小。陈震和肖熙^[11]等人对空气垫在平底结构入水砰击中作用的仿真分析，得出了砰击压力的峰值主要由空气层的压缩产生的结论。闫发锁^[12]和Shin^[13]等人在2016年使用不同厚度的钢板从不同的高度下落，讨论结构的弹塑性对砰击载荷的影响。Cerik^[14]在2016年研究了砰击过程中船用铝合金板材在动态三角脉冲载荷作用下的大型非弹性变形。推导出平板永久变形损伤的简单设计方程，最后与有限元分析结果对比，并得到了较好的一致性。Naing^[15]等人在2017年研究了由砰击诱发的脉冲载荷重复作用在钢板上的响应问题。

我国学者首先发现并开创了对“饱和冲量”的研究。Zhao^[16,17]等人首次发现了结构在中等强度脉冲载荷下的大挠度塑性动力响应所出现的“饱和冲量”，并从刚塑性理论对此现象做出了合理解释，给出了简(固)支梁的无量纲饱和冲量值,并将饱和冲量的概念拓展到了简支圆板、简支和固支方板以及圆柱壳中，给出了上述结构在中等强度矩形脉冲载荷作用下的饱和冲量上下限值，还给出了中等强度矩形脉冲载荷作用下圆柱壳的大挠度塑性动力响应的解。Zhu和Yu^[18]进一步研究了方板的弹塑性动力响应,基于弹塑性分析提出了分别相应于“最大变形”和“永久变形”的两类“饱和冲量”，席丰和杨嘉陵^[19]通过对均匀分布的脉冲载荷作用下铰支圆板位移响应的细致分析，探讨了响应过程中的饱和冲量现象，指出对于高载范围内的脉冲载荷，相应于最大变形的饱和冲量确实是存在。最近，Zhu^[20-22]等人探讨了长宽比对饱和现象的影响，从而将该特征扩展到矩形板；讨论了在矩形压力脉冲下使用固支的正方形板作为典型示例的饱和现象的尺度效应；研究了线性衰减压力脉冲的脉冲形状的效果，并提出了等效方法。之后Zhu^[23] 等人对线性上升指数衰减(LRED)压力脉冲作用下的固支方形板的饱和冲量现象进行了研究；探讨了饱和持续时间，饱和脉冲，饱和挠度以及变形机制的演变；最后提出了一种用等效矩形压力脉冲代替指数衰减压力脉冲的方法，来预测完全固支方形板的最大挠度。Zhu^[24]等人研究了在矩形脉冲荷载作用下各种对称边界条件的矩形板的饱和现象；探讨了对于在矩形压力脉冲作用下对称边界的矩形板，饱和持续时间和饱和冲量仅由变形机制决定，而不是由边界条件决定，然后通过数值模拟揭示长宽比和边界条件对弹塑性板饱和冲量的影响；最后，基于数值模拟，提出了饱和现象的理论和实际意义上的经验表达式，以方便工程设计。对砰击载荷作用下船舶平板结构的设计方法一般关注的是总冲量，而以上的一些关于饱和冲量的研究结果表明并不是所有的脉冲载荷都对结构的塑性动力响应造成影响。所以基本饱和冲量的砰击载荷作用下的海洋平板结构设计方法更加准确有效。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

2.1基本内容：

本课题通过试验和有限元数值计算方法，研究海洋结构物的基础构件—平板结构在砰击载荷下的设计方法，本次毕业设计针对船体平板设计系列的砰击加载试验，将四周固支的平板从不同的高度自由下落，得到作用在平板上的砰击载荷随下落高度的变化曲线，以及结构塑性动力响应随载荷变化曲线。最后应用有限元软件ABAQUS分析砰击载荷作用下结构的塑性动力响应，并与实验结果对比，验证有限元分析方法的正确性。