船舶与海洋工程结构力学研究现状

船舶与海洋工程结构力学研究现状

陈兴

（江苏新扬子造船有限公司 , 江苏 靖江 214532)

摘要：随着船舶与海洋工程的模块化发展，制造技术的进步，必须要对模块化带来的问题进行充分的研究，从而促进船舶与海洋工程的新发展。面对高技术海洋平台和高性能船舶的飞速发展，我们对船舶与海洋工程结构的研究，需要直面各种问题，面对挑战，也需要新的结构力学理论去适应船舶与海洋工程结构的需要，向着更专业的方向发展。

关键词：结构力学，研究现状，船舶与海洋工程

1前言

船舶是历史悠久的交通工具，自有人类活动开始，便有原始的船——独木舟。随着人类文明的进步，逐渐发展为木板船、帆船，直到可以在海洋航行的大型风帆船。尽管经历几千年的发展，但用木材造船却没有改变。木船的建造，凭工匠的经验，经验代代相传，没有形成理论。到20世纪后期，钢材取代木材成为主要的造船材料，船舶的主尺度不断增大，波浪载荷因此大大增加。增大船体构件尺寸，可以提高抵抗波浪载荷的能力，但构件尺寸究竟增大多少才适度，却没有估算的方法。增大尺寸过度，会增大船体结构的自重，降低船舶的有效装载能力。因此，寻求船体强度与结构自重之间的平衡，成为船舶建造亟需解决的课题。应用过去建造木船的经验是不能解决这个课题的，需要建立新的学科、提出新的方法，类似于当时计算桥梁结构的“结构力学”才能解决这个课题。

2结构极限强度研究

极限状态是评价海洋工程结构物是处于正常功能状态还是处于失效状态的衡量标准。极限强度评估是确保结构在可能的极限外载荷下有足够的强度储备，是保证结构完整性最有效的方法。近年来，海洋平台结构的极限强度一直是热点研究课题。

对某半潜式钻井平台，通过有限元计算，进行了典型波浪荷载作用下平台非线性垮塌性分析，建立了两类半潜式平台极限状态方程。分析结果表明，平台最终的失效形式和水动力荷载作用形式十分相关，初始失效部位和最终失效状态各不相同。近年来，考虑腐蚀损伤的极限强度问题得到重视，研究腐蚀损伤对深海半潜式平台结构极限强度的影响。以3000ｍ深海半潜式平台为研究对象，运用有限元软件建立以腐蚀厚度为变量的典型构件和节点的参数化模型，基于逐步破坏分析法和有限元计算法，采用增量理论按比例逐步加载，计算了典型构件和节点在腐蚀损伤影响下的极限承载力，总结了典型构件和节点在不同失效模式和服役年限下的极限承载力演变规律。探讨半潜钻井平台浮体结构，由于受到海洋环境腐蚀作用后的时变极限强度问题。总结各种关于腐蚀损伤的平均厚度缩减模型，选择较能反映实际腐蚀过程的数学模型来估量浮体的钢板厚度缩减。在此基础上进行一系列极限强度计算,根据计算结果给出浮体极限强度预报公式。海洋平台由于处于恶劣的海洋环境中，会受到严重的腐蚀，腐蚀会直接导致构件厚度的折减，使得结构承载能力下降。考虑腐蚀状态下的平台结构极限强度仍然有大量问题有待研究，如何更加准确地评估海洋工程结构在全寿命期内的极限强度将是今后研究的热点。

3海上结构物的碰撞计算

船舶与海洋工程结构碰撞问题涉及很多方面（如船舶与船舶、海洋平台、码头或桥梁、沙土等）。碰撞时的结构动力响应一般是非线性的，会出现很大的塑性变形、屈曲和撕裂，其响应程度取决于碰撞位置、具体结构、材料、碰撞速度和角度、以及碰撞物的质量等。因此，在研究碰撞问题时必须具体分析研究。由于碰撞时既有船只的刚体运动，又有结构物的变形，因而目前的分析方法可分为：内部碰撞力学和外部碰撞力学，重点是内部碰撞力学的研究。

结构碰撞研究的基础是塑性动力学，内部碰撞力学的主要研究方法可以是有限元法、刚塑性方法或经验公式。由于碰撞时因素十分复杂，前期的研究主要从碰撞前后能量相等出发，令碰撞过程中两船的动能损失值与相撞结构物产生塑性变形时的吸收能相等来处理问题。近期，由于非线性有限元法的充分发展，已能相当精细地描述碰撞的全过程，但计算过程中往往未能考虑船舶的刚体运动和与周围流体的相互作用。外部碰撞力学就是在这样的需求背景

条件下发展起来的，通常引入水动力系数和附加水质量来考虑船舶与流体的藕合作用，但由于动量守恒中的附加质量与能量守恒中的附加质量并不相同，而且它们还与其它因素有关。实验和计算表明，这种处理方法并不理想。近年来内部和外部碰撞力学存在着交互的趋势，发展成统一的系统方程公式来更逼真地描述碰撞过程。由于对海洋环境保护的呼声日高，碰撞问题研究进入一个新阶段，如船舶防碰撞结构的形式（如软首、柔性结构、双壳等）、耐撞性、碰撞吸能装置等。也许实验是船舶碰撞研究的重要手段，它可用来作机理分析并验证理论，当然，其代价也是可观的。

4断裂和疲劳

海上起伏不停的波浪使海上结构物产生交变应力，在长达几十年的服务期中，交变应力次数可达10⁸之多，这将导致结构的疲劳破坏，因此疲劳历来被认为是海上结构物的一种主要破坏形式。

长期以来，船舶结构的疲劳损伤和寿命估算都袭用Miner线性累积损伤理论S-N曲线来计算。随着断裂力学的不断发展，断裂力学方法也在结构的寿命估算中得到应用和认可。但以上两种传统方法都是确定性的，也即它们不能计及各种随机不确定性对疲劳的影响，而由于结构本身存在的不确定性，结构响应也具有随机特性。因而尽管对以确定性方法为基础的疲劳机理仍在深入研究，但人们已很清楚认识到疲劳可靠性是当今研究的热点。最直接的表现是把概率S-N曲线取代传统的N-S曲线来估算结构的疲劳强度，但更深入的做法是开展疲劳可靠性研究。研究的重点有以下几点：

4.1疲劳失效的衡准

疲劳累积损伤的概率模型是问题的关键。传统的线性积累损伤理论使用方便，但与试验结果仍有一定的偏差，因而提出了用概率描述的疲劳累积损伤模型。最近还提出了二维随机Miner准则。

4.2疲劳载荷和强度的概率模型

结构的疲劳损伤与交变应力幅值大小和循环次数有关，因而必须讨论随机疲劳载荷的计数方法和应力范围分布规律。由于疲劳强度也具有随机特性，因此要研究疲劳试验数据的统计分析方法和在给定应力范围内疲劳寿命的分布规律。

4.3疲劳寿命的可靠性预测

结构疲劳寿命是一个随机变量，要利用概率累积损伤模型计算疲劳损伤，据此得到结构疲劳寿命。对于存在初始裂缝的情况，必须用概率断裂力学方法来计算剩余寿命，然后用可靠性方法，计算指定使用寿命条件下的疲劳可靠性。

4.4疲劳可靠性分析

对于复杂的结构系统，疲劳失效的可靠性估算是一个十分困难的问题（如海洋平台有成千上万个管节点），因为它兼有复杂系统可靠性的多失效途径问题，又有疲劳失效与载荷谱密切相关的问题。通常的做法是沿袭结构系统可靠性分析的做法，假设一个简单的并串联模型，逐个搜索失效途径，但在载荷处理上仍很不理想。可以预期结构疲劳可靠性的研究会得到更多的重视和更大的发展。

5结语

基于航运业的迅猛发展，船舶数量随之不断增多，发生事故的概率大大增加，现阶段我国对于船舶与海洋工程结构极限强度的研究力度不够，其中极限强度作为制约船舶海洋工程进步的重要因素，需要相关工作人员对其进行深层次地探索。在船舶开发研制过程中，操作员应对其结构进行正确有效的评价，使用强度较高的建设材料，从而保证海洋工程的安全性。

参考文献

[1]刘昆.《船舶结构力学》一流课程建设探索与实践[J].中国新通信,2020,22(16):166-167.

[2]罗广恩.“船舶结构力学”教学改革探讨[J].中外企业家,2013(30):240-241.