船舶與海洋工程鋼結構極限強度分析研究

趙真，陳耀輝，楚光宇，李國杰

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東 青島 266520）

在對海洋工程鋼結構進行極限強度研究時，為了給該研究提供實驗的參考數據，通常需要根據研究的對象構建相應的船舶模型，保障研究理論的真實性。在船舶模型進行鋼結構極限強度的研究時，主要采取有限元理論的方法進行分析，從而更好地評定海洋工程鋼結構的極限強度，為海洋船舶事業提供有效的數據資料支持。

1 鋼結構極限強度的有限元分析方法

在分析研究船舶鋼結構極限強度時，可以發現船舶的結構是一個逐步破壞的過程，根據有限元理論的支持構建船舶平斷面的模型，以結構破壞的增量曲率方法進行計算分析，可以發現船舶橫剖面的結構應力變化曲線，與鋼結構屈曲變化與屈服變化具有一定的聯系，因此在研究鋼結構極限強度時，可以將屈曲效應的變化歸納到數據分析的范圍內。

在通過非線性的有限元分析計算后，可以發現單元塑性的擾度變化與單元平均力的變化是一種應變關系，為了提高計算的精度，可以通過單元平均力—平均應變力的準確性進行提高，這樣的有限元分析方法被稱為逐步破壞分析法。

在對船舶進行極限強度分析計算時，可以采取有限元的直接計算方法。即根據船舶的橫斷面塑性彎矩的變形量和船體的縱向底板極限形變量進行極限強度的估算。在估算時為了降低結構承載力對結構極限強度的影響變化，在進行船舶工程鋼結構極限強度估算時，未考慮加強筋單元承載的結構應力，因為在極限強度的前期，加強筋的載荷應力會適當降低，且載荷受力區域會重新的分布，因此在進行估算時，若是參考了加強筋的載荷數據資料，就會提高鋼結構極限強度的數值，給后續的研究分析帶來一定的影響。

2 船舶擱淺后鋼結構損壞的研究分析

2.1 船舶底板的變形

在研究船舶擱淺后鋼結構的損壞程度工作時，根據有限元理論對其鋼結構極限強度進行解析，發現了船舶底板的縱向鋼結構強度直接決定了船底整體鋼結構的極限強度。由此可以判斷出船舶底板四周的肋板和扶強鋼材，并沒有達到自有的極限結構強度，只是在擱淺碰撞的過程中出現了能量的損失。

在研究中還發現，底板周邊的肋板變形主要集中在肋板的中間區域和側邊區域，在肋板受到礁石的碰撞后，中間區域直接發生了形變，而在中間區域的結構強度影響下，側邊的鋼材也出現了一定的變形。

在研究船舶變形問題時，有限元理論給予了充分的數據研究支持，通過對底板、肋板、扶強材的結構變形研究可以發現，肋板和扶強材料的變形，主要是通過膜拉伸和塑性變形，兩者共同產生了能量的損耗。

2.2 船舶外底板與縱骨變形分析

當船舶在礁石區域發生擱淺事故時，由于船舶的外底板高度，一般情況下要低于礁石的碰撞高度，因此在碰撞能量轉化的過程中，可以發現船舶的縱骨直接出現了嚴重的塑性形變，由此可以判斷出船舶鋼結構的極限強度，在縱骨結構中發揮不出有效的保護作用。由于觸礁導致船舶縱骨的結構失效，在根據有限元理論進行解析計算時，可以將船外底板的多個縱骨結構單元轉化為一塊橫向的外底板結構單元，這樣可以很好的控制船舶的制作成本，提高船舶的生產效率。

2.3 船舶底部縱桁的變形研究

船舶底部的縱桁與船舶內部的底板，兩者結合對船體起到了支撐穩定的作用。在船舶出現觸礁事故的時候，由于船舶底部的縱桁受到了碰撞礁石的快速擠壓，船舶底部的縱桁出現了一定的形變量。為了科學地求解出該縱桁變形的具體數據信息，在有限元方法的分析計算下，發現了船舶水下縱桁變形量與觸礁的垂直距離，和實驗模型中雙層底板高度的縱桁極限變形量是相同的，由此就可以判斷出船舶底板的縱桁受損情況，從而判斷出觸礁事故的危害，并采取有效的處理方式，第一時間控制船舶的受損情況，避免事故危害的擴大。

2.4 船舶極限強度的解析分析

為了更好地提高船舶在海洋中行駛的安全性與可靠性，要對船舶的極限強度進行有效的研究分析，從而合理地優化改善船舶的鋼結構的制作性能。在研究船舶極限強度時，首先對船舶的整體鋼結構進行拆解分析，從而準確地分析出船舶上不同區域的載荷情況，因為載荷量的不同直接影響船舶鋼結構極限強度的研究準確性。

在確定出船舶的區域載荷后，可以將船舶的載荷進行歸納分類，可以分為兩種類型：船舶總體載荷和局部區域的載荷。其中船舶的整體載荷直接將其載荷力矩施加在船舶的底板區域，而區域性的載荷對局部區域的鋼結構會產生更大的影響，如船舶發動機室的底板載荷就明顯高于其他區域的載荷。

當船舶在海洋中行駛時，局部海水對船舶的壓力，也可以歸納到船舶的總體載荷中。在洋面出現波動時，流動的波浪會形成一定的沖擊載荷，而船舶中液體物質在晃動的過程中也會產生相關的載荷應力。在對船舶的鋼結構極限強度進行研究分析時，波浪引起的沖擊載荷對船舶的極限強度研究數據起到了很重要的作用，可以更好地論證肋板和底板、極限強度與疲勞強度之間的數據關系。

在進行船舶的鋼結構極限強度解析計算時，根據有限元理論的研究方法，首先將實驗模型的船舶的剖面進行拆解，劃分為若干個小單元。然后，將船舶的縱向底板劃分為一塊整體板和一個加強鋼筋，最后就是將橫向的肋板劃分為一塊板，其余側邊的區域可以用硬角單元進行替換。在船舶的各個單元劃分后，就可以根據有限元理論對其單元的關系進行論證計算，從而得出不同單元之間的應力關系，科學地模擬出船舶的鋼結構極限強度。

3 結語

綜上所述，為了有效地提高船舶的行駛安全，通過有限元對海洋工程鋼結構極限強度進行有效的分析計算，從而根據分析結果更好地調整優化船舶的設計制造方案。