船舶與海洋工程結構極限強度分析

馬永鋒 胡海鵬 卞宇 楊志華 楊峰

摘要：結構極限強度的設計過程需要構建起一個與船體特征相似的模型來實現對船舶海洋工程結構極限強度的分析和計算，一般情況下相關的設計人員主要是應用對船體模型進行有限元分析來實現對船體模塊極限強度的確定。但是我們需要注意的是這種方法在實際對船舶與海洋工程結構極限強度進行分析的過程中也存在著一定的局限性。

關鍵詞：船舶與海洋工程；結構極限強度；逐步破壞法

中圖分類號：P75；U661.43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2018）07-0123-02

Abstract： the design process of the ultimate strength of the structure needs to build a model similar to the ship's characteristics to realize the analysis and calculation of the ultimate strength of marine engineering structure. In general， the related designers mainly apply the finite element analysis of the hull model to determine the ultimate strength of the hull module. However， we need to pay attention to this method， which also has some limitations in the actual analysis of the ultimate strength of ships and offshore structures.

Keywords： ship and ocean engineering； structural ultimate strength； progressive failure method.

1 結構極限強度計算方法概述

在對整個船舶與海洋工程的結構設計過程中結構極限強度的計算和分析常常伴有非常多的計算內容，并且在整個結構設計的過程中并且對于這一個環節的要求也最高。盡管相關的設計人員在對船體結構極限強度進行確定的時候可以運用船體模型的有限元分析計算方法對于船體模型的構建屈曲和塑形變形方面能夠得到一個相對準確的測量結果。但是由于這種方法的計算量和計算成本過大，想要得到實際應用便十分困難。因此當前正在廣泛使用的計算方法是逐步破壞法。這種方法主要特點在于計算量以及計算成本都比較小，并且在精確程度方面也有較強的保證。

逐步破壞法之所以成為船舶與海洋工程結構極限強度計算的主流方法在于它能夠對下面兩個方面的計算工作量進行簡化，第一，通過制造一定的環境來將用于結構極限強度計算和分析的船體模塊轉化為滿足計算過程需要的橫縱方向崩潰的兩種總崩潰模式，來實現計算量的減少；第二，通過對相關的尺寸進行限制來實現相鄰兩個橫向鋼架發生縱向崩潰。

逐步破壞法的在應用到船舶與海洋工程結構極限強度分析過程中能夠在一定程度上實現船舶與海洋工程的船體模型在橫向鋼架的臨界分段的中垂過程或者中挑過程發生崩潰的效果，在這樣的情況下相關的計算人員就可以將機構極限強度的計算工作簡化成對船體某一分段的極限強度進行計算的形式，這種轉換的過程能夠在保證計算結果準確性較高的同時有效的降低計算的工作量。

2 結構極限狀態

從表象進行分析可以發現結構極限狀態屬于一種結構產生崩潰的現象，這種狀態之下的結構本身的承載能力和總體剛度都會直接降低為0。在一般情況下經常直接應用特征值來對殼體結構的極限強度來進行估算或者計算，但是船舶與海洋工程中經常會由于結構構件的彎矩不斷增加的過程中出現屈曲情況或者屈服情況。一些構件和已經發生破壞的構件都能夠在一定程度上承載外界剪力荷載，這種破壞的過程并不會立刻導致結構的彈性剛度消失，而是在外界破壞力不斷增加的過程中一點點的變小，直至消失為0。

3 逐步破壞法

3.1 建立分段模型

對分段進行選取的過程中要注意我們所選取的應用于模型構建的分段是在不利工況下最先出現崩潰的那個部分。構成船體模型的所有主要構件在骨架間距中都有所包含，正常情況下最先發生崩潰的位置是在臨界分段添加了筋板的位置。建立分段模型主要是通過對加筋板單元的非線性大撓度進行計算和分析。

3.2 分段基本假定

在這個環節中我們可以分出以下幾種假設，第一種假設是，假設由于船體斷面的崩潰使框架板格出現壓縮屈服的情況；第二種假設是，假設框架間的梁-柱崩潰應力的具體數值比加上強筋位置的側傾臨界力和船體整體結構失穩時刻的臨界應力??；第三種假設是，假設在醇提斷面發生曲率的變化之后橫斷面的應力呈現線性分布的情況。

3.3 破壞力計算流程

3.3.1 休斯法

這種方法主要是利用休斯公司對加筋板模塊的應力和應變關系進行分析和計算，結構變形的總縱極限彎矩的求取會出現在對結構構件中垂情況和中拱情況進行分析和計算完成之后。運用休斯法進行計算的過程可以分為以下幾個環節：第一個環節是將船體模型進行離散劃分成多個角模塊和加筋板模塊；第二個環節是應用有效的方法對船體離散模塊的應力和應變之間存在的關系進行準確的確定；第三個環節是選取在第一個加筋板出現破壞情況船體梁在這個時候的初始曲率；第四，對船體模型全部模塊的應變運用準確的方法進行計算；第五環節是在我們對船體整體斷面的力平衡方程構建完成之后對每個單元的應變情況進行記錄并將中和軸的位置進行進一步的確定；第六個環節是運用疊加計算求出總的彎矩；第七個環節是在對當前和先前的總體彎矩值大小進行多次比較之后去頂極限的彎矩值。

3.3.2 有限元法

在對船舶與海洋工程船體模型的極限強度進行分析的過程中加筋板單元在受到破壞之后會出現大撓度與大變形的情況，這個過程中應力與應變關系會呈現出一個較為復雜的非線性裝填。這個非線性變化出現的主要原因可能是材料的非線性或者接觸非線性以及幾何非線性。運用逐量增步的方法進行求解可以在非線性分析過程中加入一些非線性特征，這樣能夠更加方便對復雜非線性問題的分析和研究。

4 結束語

對船體結構的極限強度進行準確的計算能夠在一定程度上保證船舶與海洋工程的正常進行。相關人員在對現有的逐步破壞計算方法應用的過程中也要不斷探究更加有效的方法來提高計算的精確度，從而提高船舶船舶與海洋工程結構極限強度，為我國海洋事業的發展做出貢獻。

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