浅谈船舶与海洋工程结构极限强度

浅谈船舶与海洋工程结构极限强度

王蓓

瀚辰海洋科技（天津）有限公司 天津市

摘要：在对海洋工程钢结构进行极限强度研究时，为了给该研究提供实验的参考数据，通常需要根据研究的对象构建相应的船舶模型，保障研究理论的真实性。在船舶模型进行钢结构极限强度的研究时，主要采取有限元理论的方法进行分析，从而更好地评定海洋工程钢结构的极限强度，为海洋船舶事业提供有效的数据资料支持。

关键词：船舶与海洋工程；结构；极限强度

引言

就国内当下的船舶与海洋工程结构的发展现状而言，呈现出高速发展的趋势，需要出海航行的船只数量越来越多，出现船舶搁浅的事故频率也在不断增加，一旦船舶出现搁浅事故，船体的底部纵向构成部件就有可能受到损坏，导致船体在纵向的总体强度和部分位置的强度都大大降低，给船舶的继续航行带来严重隐患。所以，在进行船舶与海洋工程的设计规划时，一定要对总体的结构强度进行全面考虑，细致地考虑船舶的安全性能，面向船舶在搁浅状况下的船舶结构承受强度的极限程度的方面进行解析和设计。

1船舶结构分析

一般船舶主要分为船壳、船体骨架、夹板、船舱等几部分构成。船壳俗称为船的外壳，它主要用来阻挡由水压力、波浪冲击力等各种外部冲击力量。船体骨架是由龙骨、旁龙骨、肋骨、龙筋、舭龙骨、船首柱和船尾柱构成，它们共同组成了船舶骨架。甲板主要位于内底板以上，用来盖住船体内部空间，甲板将整个船体分为上、中、下三层。船舱是指甲板以下的用途空间，包括货舱、客舱和各种专门用途的船舱。在海上运输的不断发展下，船只的数量越来越多。相对应的海上事故也频频发生，当船只发生意外事故时，其结构强度也会发生影响，由此带来更为严重的结果。

2船舶与海洋工程结构极限强度

2.1结构极限强度计算方法

在船舶与海洋工程的结构理性设计中，结构极限强度的计算和分析是要求最高也最为复杂的环节。在实际中，通常利用对船体模型进行有限元分析的方法测量船体模型的构件屈曲和塑形变形等数据，从而得出比较精确的船体模型极限强度。然而，这种方法在实际运用中工作量很大，且成本很高，因此，推广程度不高。当前，一种叫作“逐步破坏法”的计算方法则较为常用。该方法不仅可以减少计算工作量，还可以提高极限强度计算结果的精确性。在船舶与海洋工程结构极限强度的计算上，逐步破坏法主要具有以下两方面的优点：①将用于结构极限强度计算与分析的船体模块向横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式转化；②通过限制相关尺寸，确保相邻的两个横向刚架纵向崩溃。逐步破坏法能够让船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或中拱过程中崩溃，将结构极限强度计算向船体某一分段极限纵强度计算简化，不仅能确保计算结果的精确性，还能大大减少计算工作量。

2.2极限强度分析方法

2.2.1逐步破坏

船舶与海洋工程在我国的数量，表现为逐年增加的趋势，且创造的经济效益和社会效益均是非常值得肯定的。随着时间的推移，我国未来的船舶与海洋工程，仍然表现为较强的增长趋势。但是，如果仅仅在数量上提升，相应的技术和手段跟不上，势必会影响船舶与海洋工程的寿命，对国内的发展而言，是极为不利的。逐步破坏法在应用中，可以结合船舶与海洋工程本身的特点，对结构极限状态展开分析，同时得到精确的数据与信息，值得推广应用。

2.2.1.1建立分段模型

逐步破坏法的应用，并非是随意应用的方法，而是有着精密的体系和系统的要求。首先，我们要根据船舶与海洋工程的各项已知数据，针对船体模型进行分析。每次分析，只能对某个分段崩溃情况下琛。所以需要选择船体模型分段的过程当中，要保证其选择分段性，不可在不利情况进行。除此之外，船体模型的建立和分析当中，应对每一个分段的组成进行了解，包括角单元、加筋板单元等等，分析各个构件的主要作用。从主观的角度来分析，分段模型的建立，能够将墙肢面内压缩的情况作为基础，从而对加筋板单元的非线性大挠度进行分析、计算，最终获得准确的结果。

2.2.1.2分段基本假定

船舶与海洋工程的结构极限状态，在应用逐步破坏法研究当中，分段假定的作用是非常重要的，主要是明确以下假设。第一，假设船体断面崩溃，造成框架板格发声压缩的主要原因，基本上不存在其他的原因。第二，假设框架间的梁－柱崩溃应力，客观上不可超出加筋的一侧的临界点力，并且不可超出总体船体结构不平衡的临界力。此条件的存在，主要是为了将现实情况融入，避免在船舶与海洋工程的施工当中，出现“豆腐渣”工程的情况。

2.2.2有限元

有限元法对任何加载类型与结构模型都适用。引入平板单元、梁单元以及正交各向异性板单元，不仅能够分析结构在静态和动态载荷作用下的极限状态，还能够对单个结构作整体响应分析，并且将船体在扭矩、弯矩以及剪力联合作用下的响应纳入考虑范围。利用这种方法计算和分析了4条船体按各种载荷状态、不同的有限元模型的纵向极限强度，并在分析过程中考虑了屈曲、后屈曲及塑性效应。

2.2.3直接计算

考德威尔利用船体横剖面全塑性弯矩对船体总纵极限强度进行了估算解释结构屈曲的影响。考德威尔的这种思路并没有将加筋板承受压应力考虑在内，没有想过在超出极限强度以后发生的截面应力、载荷缩短引起的压应力重新分布现象。所以这种方式最终结果通常都会超出船体真实极限强度。

2.3工程极限强度分析

2.3.1可靠性

因为船舶海洋工程本身就有着多变性、复杂性特点，因此为了保障船舶能够在海面上的稳定使用就必须认真的分析船舶结构中的所有细节。船舶海洋工程非常复杂，存在多种失效模式与失效途径。采取简单的枚举法搜索只会酿出大错，甚至可能会出现爆炸问题。此外失效模式条件下的结构问题需要依靠可靠、真实的数据。通常情况时在船舶载重变量变异条件下需要应用搜索系统确定结构。不过近些年的科技快速发展，使得计算机技术取代了这种方式。人工智能技术在搜索引擎中的引用全面提高了分析计算效率与分析可靠性。

2.3.2安全性

船舶载体并不统一，存在多变性特点。结合近些年的数据情况来看，近些年的船体工程结构与多年前的结构存在比较突出的变化。一些学者以结构余度展开分析，评测结构完整性与安全性。通过全方位的分析得出不确定性因素与安全需求，站在经济角度考虑完整性评估。除此之外船体结构分析还要结合船舶原有结构，从中得出船舶受损情况与海域条件。随后根据前面所得数据考虑运行条件、运行需求，以免再次发生类似问题。

2.3.3随机性

过去对船舶结构分析大多利用了确定概率计算平均值，这种方式无法完全将所有随机变量纳入其中，数据分析不确定性问题比较显著。当前最常用的计算方法就是有限元，有限元对船舶结构的分析效果非常显著。有限元实际包括很多种方式比如点估计、响应面、一阶二次矩等多种有限元算法。限元法会引起数据偏大的问题，该现象会影响到最终的分析结果。为解决该现象就必须使用随机边界。这种方法能够精细化分析数据，在减少计算量的同时保障计算精准度。

结语

船舶与海洋工程结构的极限强度以及被作为船舶结构强度运动的重点研究方向，然而当前的研究力度显然是不够的，务必增加研究力度，将极限强度的运算和研究运用到船体结构的研发中去。通过不断的研究和改进，才能解决当前航海运行中的实际问题。

参考文献

［1］刘伯运，周晓松，陈如木.船体结构腐蚀模型及安全性评估研究进展［J］.船舶工程，2017（6）:15~19.

［2］陈丹.浅谈极限强度在船舶结构设计的运用［J］.工程技术:全文版，2017（3）:104~105.