船舶破艙后船體剩余強度思考

王文剛

【摘 要】在經濟發展全球化與國際經濟貿易往來密切化的社會背景下，為防止船舶破艙后釀成更大的經濟損失與人員傷亡，如環境污染、沉船事故等，需對破艙后船體剩余強度進行充分地評估，以便救援單位制定科學合理的技術措施進行船舶施救。文章以船舶破艙后剩余強度計算的必要性為切入點，根據其計算原理，對破損船體的剩余強度進行了重點分析，旨在為同行提供借鑒參考。

【關鍵詞】船舶 破損 剩余強度 計算原理 思考

隨著經濟的發展和貿易往來的日益密切，遠洋船舶在經濟貿易中發揮著至關重要的作用。由船舶碰撞所致的船體破損、人員傷亡、貨物損壞、油品泄露等問題尤為突出。一旦船體發生破損，一方面會減弱船體結構的使用強度；另一方面也會因船舶內進水導致舷外水載荷與最終懸浮狀態發生改變。由此可見，有必要加強對船舶破艙后的剩余強度進行研究。

1船舶破艙后船體剩余強度分析的必要性

不論從船舶的經濟性因素、安全性因素，還是從環境保護的角度來看，研究船舶破艙后船體的剩余強度，有利于對船體的剩余強度進行快速合校核，有利于保障海上生命的安全，有利于提高救援工作效率。

2船舶破艙后船體剩余強度的有限元法理論

2.1有限元法的分類

有限元法可分為非線性有限元法與線性有限元法兩類。本文對船體結構破損的研究主要通過非線性有限元法進行。

非線性有限元法又可分為三類：第一，材料非線性，因始終假設以無限小量為位移分量，非線性結果則僅由應變關系與應力關系而得出，所以，仍舊能夠使用應變與應力對其進行描述。但材料的應力與應變性質容易受環境溫度、加載歷史、加載時長等的影響；第二，幾何非線性，由于非線性關系始終發生在位移之間，所以容易產生幾何非線性；第三，狀態非線性，狀態非線性多由系統剛度與邊界條件所致，譬如摩擦、接觸等。因系統狀態始終處于變化態勢，導致系統剛度與邊界條件也會不斷地變動，如此即形成了狀態非線性問題。

2.2非線性基礎原理

對于幾何非線性或材料非線性問題的計算分析，需在對有限個單元進行離散分類后，將其簡化為N變量，經N個方程組共同構成非線性方程組。

Ψ1（1????，αN）=0， ①

ΨN（α1????，αN）=0， ②

公式中，（α1????，αN）代表未知量；Ψ1 ????ΨN代表N維Euclid空間開域D上的實時函數，它們通常是α1????，αN的非線性函數。若在其中引用相關矢量記號，則得出：

=[α1????，αN]T， =[Ψ1????ΨN]T， ③

=[0????，0]

根據上述方程，可將其簡化為下述矢量方程：

=（ ）= ④

為重點強調力學含義，可對方程④進行改寫，公式如下：

（ ）= （ ）— = ⑤

公式中 表示尚未明確的節點位移矢量； （ ）表示節點力矢量，重點突出內力的等效節點； 代表節點力矢量，重點突出載荷的等效節點。非線性問題中任意自由度的平衡，均可根據上述公式中的矢量方程進行核算。從增量方面來說，公式中的 、 均可分別理解為位移矢量增量與載荷矢量增量。

3船舶破艙后船體剩余強度分析

3.1船舶破艙后船體剩余強度指標

3.1.1以剖面模數為基礎的指標評估

以剖面模數為基礎的剩余強度評估定義闡釋可利用公式進行表示：

fS=w/wr，其中，w、wr分別代表船舶破艙后船體的有效剖面模數及具有要求的船舶破艙后船體的有效剖面模數。

3.1.2以極限強度為基礎的評估

（1）船舶破艙后的破損彎矩與極限載荷相互對比所導至的安全余度：剩余強度因子（Residual Resistance Factor，RRF）能夠對破損后載荷余度相對于完整狀態下的極限載荷度進行評估，RRF=船艙破艙后載荷極值/完整狀態下的極限承載能力。若RRF<1，則表示船舶破艙后載荷并沒有超出船體所能夠承受的極限載荷力；若RRF>1，其狀態則與之相反，在進行船舶搶修或拖拽時，既有可能進一步破壞船體，造成船舶斷裂。

（2）從提高設計載荷與破艙后載荷規范指標所導至的安全余度：通過利用系數（Usage Factor）來對設計載荷相對于破艙后載荷的余度及極限承載力的安全余度進行分析，其公式如下：設計安全余度：UFD=1—MC/Mt，剪力利用系數：UFF=（FS+FW）/FC，彎矩利用系數：UFM=（MS+Mw）/Mc，公式中，FS、FW、MS、Mw、分別代表破艙后船體能夠承受的剪力與彎矩；Mt、MC、FC分別代表極限承載力及規范之后的設計載荷。如果剪力、彎矩利用系數均大于1，則表示設計載荷低于破艙后船體的載荷，反之，則代表船艙處于安全狀態。

與剪力與彎矩利用系數相比，設計安全余度同樣需將船舶破艙后所能承受的極限載荷與規范設計之后的載荷之間的相關關系考慮在內，其大小則表示安全余度。

3.2規范設計載荷計算

（1）船體梁剖面計算：船體梁剖面計算公式如下：W=ak1K2LBD，其中，L、B、D、a、k1、K2分別代表船舶長度；船舶寬度；船型深度；航區系數，通常情況下分為A、B、C三級航區，取值分別為：1、0.85、0.75；系數，k1=0.303L0.3+36.2/L-0.628；系數，K2=2.44—2.89Cb+1.4C2b，Cb表示方形系數，當Cb值低于0.6時，取其值為0.6；當Cb值大于0.85時，取其值為0.85。

當船廠在50m以上時，船體剖面與水平中和軸之間的慣性矩1需大于根據下述公式所計算的數值：I=3.5WOL*10-2 cm2*m2。

（2）油船規范設計載荷計算：將型船參數代入，根據上述公式計算可得： =1.90*10KN*m， =2.18*104KN。

4結語

綜合上述分析可知，船舶強度研究屬于一項復雜而精細的工程項目類型，需考慮諸多因素的影響后進行剩余強度的計算，以加快船舶救援速率，減少沉船事故的發生。

參考文獻：

[1]馮國慶，李輝.《船舶與海洋工程結構疲勞強度》研究生課程知識體系構建研究[J].教育教學論壇，2015，（30）.

[2]夏雪，姜金輝.破損船舶結構校核方法研究[J].中國造船，2015，（03）

[3]黃衍順，王珊珊.破艙進水對船舶橫搖運動的影響[J].天津大學學報，2012，（07）.