關(guān)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探討

徐海軍

摘 要：在海洋事業(yè)的快速發(fā)展過程中，船舶數(shù)量獲得了顯著的增加，與之對(duì)應(yīng)的是在船舶數(shù)量不斷增加的同時(shí)，船舶擱淺一類事故的數(shù)量有了一定的增長。在船舶遇到此類特殊事故時(shí)，其本身的強(qiáng)度會(huì)受到嚴(yán)重影響，對(duì)于船舶今后的使用而言非常不利。現(xiàn)如今國內(nèi)對(duì)船舶海洋工程的極限強(qiáng)度展開的研究深度仍舊不夠，制約船舶海洋工程發(fā)展的最重要因素就是其極限強(qiáng)度，故需要人們的進(jìn)一步分析、進(jìn)一步處理。

關(guān)鍵詞：船舶；海洋工程結(jié)構(gòu)；極限強(qiáng)度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.048

0 前言

船舶海洋工程的極限強(qiáng)度計(jì)算需要考慮眾多因素，而不僅僅是簡單的計(jì)算材質(zhì)強(qiáng)度就行。在計(jì)算的過程中通常需要建模的方式，通過模擬、有限元計(jì)算得出船體實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。當(dāng)然這種方法也是有弊端的，實(shí)際使用中需要與其他技術(shù)一同配合。本文將以船舶海洋工程結(jié)果強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要考慮的問題為著手點(diǎn)，闡述其計(jì)算方式與極限強(qiáng)度要求，希望可以幫助更多設(shè)計(jì)者，為研究人員提供一定建議。

1 極限強(qiáng)度的計(jì)算

船舶海洋工程結(jié)構(gòu)是否合理需要考慮眾多因素，是非常復(fù)雜的分析、計(jì)算過程。分析與計(jì)算的過程中大多使用有限元測量船舶模型，得出船體模型在運(yùn)行中出現(xiàn)的塑性變形、構(gòu)件屈曲數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出船體模型的精準(zhǔn)強(qiáng)度。不過這種方法雖然可用，但是也面臨著成本高、工作量大的問題，故沒有得到全面推廣。逐步破壞法是目前比較常用的計(jì)算方式，這種計(jì)算方法運(yùn)算量較少，在計(jì)算極限強(qiáng)度的過程中能夠保持精準(zhǔn)需求。逐步破壞法在船舶海洋工程極限強(qiáng)度計(jì)算中的優(yōu)勢主要有兩點(diǎn)。第一點(diǎn)能夠分析與計(jì)算船體模型橫向崩潰、縱向崩潰總模式的轉(zhuǎn)化。第二點(diǎn)通過限制某些數(shù)值，實(shí)現(xiàn)相鄰剛架崩潰演示。這種方法能夠讓船舶海洋工程模型在中拱或是中垂的過程中崩潰，既簡化了計(jì)算難度，同時(shí)也保障了計(jì)算精準(zhǔn)度，是一種效果顯著，成本較低的計(jì)算思路。

2 極限強(qiáng)度分析方法

結(jié)合船體計(jì)算強(qiáng)度概念需求我們能夠得出船體梁總縱的強(qiáng)度分析有眾多方法，目前比較常見的包括逐步破壞、有限元、直接計(jì)算三種方式。

（1）逐步破壞。該方法采取的是利用船體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)特征與結(jié)構(gòu)損壞原理。眾所周知船體結(jié)構(gòu)在使用過程中并非是瞬間損壞，而是從小到大、從簡到繁的逐步損壞過程。利用平斷面假設(shè)逐步破壞增量曲率法能夠得出纖維應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以用于描述屈服、屈曲引發(fā)的加筋板損壞。史密斯利用非線性有限元對(duì)單元彈性大撓度分析獲得單元平均應(yīng)力平均應(yīng)變關(guān)系[1]。史密斯的方法是否精準(zhǔn)需要依靠應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系所決定。

（2）有限元。有限元是一種使用效果非常顯著的計(jì)算方法，該方法不論對(duì)哪一種結(jié)構(gòu)、哪一種加載類型都能應(yīng)用。應(yīng)用正交各向異性板單元、梁單元、平板單元可以在得出動(dòng)態(tài)或靜態(tài)載荷條件下的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。此外這種方法還能夠響應(yīng)與分析單個(gè)結(jié)構(gòu)，將船體的剪力、彎矩、扭矩納入其中。庫特采用有限元的方式分析與計(jì)算了超過4條船極限強(qiáng)度，展開了對(duì)每一艘船的有限元模型載荷狀態(tài)計(jì)算，最終所得結(jié)果考慮了塑性效應(yīng)、后屈曲、屈曲要素。

（3）直接計(jì)算。考德威爾利用船體橫剖面全塑性彎矩對(duì)船體總縱極限強(qiáng)度進(jìn)行了估算解釋結(jié)構(gòu)屈曲的影響[2]?？嫉峦柕倪@種思路并沒有將加筋板承受壓應(yīng)力考慮在內(nèi)，沒有想過在超出極限強(qiáng)度以后發(fā)生的截面應(yīng)力、載荷縮短引起的壓應(yīng)力重新分布現(xiàn)象。所以這種方式最終結(jié)果通常都會(huì)超出船體真實(shí)極限強(qiáng)度。

3 工程極限強(qiáng)度分析

（1）可靠性。因?yàn)榇昂Ｑ蠊こ瘫旧砭陀兄嘧冃?、?fù)雜性特點(diǎn)，因此為了保障船舶能夠在海面上的穩(wěn)定使用就必須認(rèn)真的分析船舶結(jié)構(gòu)中的所有細(xì)節(jié)。船舶海洋工程非常復(fù)雜，存在多種失效模式與失效途徑。采取簡單的枚舉法搜索只會(huì)釀出大錯(cuò)，甚至可能會(huì)出現(xiàn)爆炸問題。此外失效模式條件下的結(jié)構(gòu)問題需要依靠可靠、真實(shí)的數(shù)據(jù)。通常情況時(shí)在船舶載重變量變異條件下需要應(yīng)用搜索系統(tǒng)確定結(jié)構(gòu)。不過近些年的科技快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)技術(shù)取代了這種方式。人工智能技術(shù)在搜索引擎中的引用全面提高了分析計(jì)算效率與分析可靠性。

（2）安全性。船舶載體并不統(tǒng)一，存在多變性特點(diǎn)。結(jié)合近些年的數(shù)據(jù)情況來看，近些年的船體工程結(jié)構(gòu)與多年前的結(jié)構(gòu)存在比較突出的變化。一些學(xué)者以結(jié)構(gòu)余度展開分析，評(píng)測結(jié)構(gòu)完整性與安全性。通過全方位的分析得出不確定性因素與安全需求，站在經(jīng)濟(jì)角度考慮完整性評(píng)估。除此之外船體結(jié)構(gòu)分析還要結(jié)合船舶原有結(jié)構(gòu)，從中得出船舶受損情況與海域條件。隨后根據(jù)前面所得數(shù)據(jù)考慮運(yùn)行條件、運(yùn)行需求，以免再次發(fā)生類似問題。

（3）隨機(jī)性。過去對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的分析大多利用了確定概率計(jì)算平均值，這種方式無法完全將所有隨機(jī)變量納入其中，數(shù)據(jù)分析不確定性問題比較顯著。當(dāng)前最常用的計(jì)算方法就是有限元，有限元對(duì)船舶結(jié)構(gòu)的分析效果非常顯著。有限元實(shí)際包括很多種方式比如點(diǎn)估計(jì)、響應(yīng)面、一階二次矩等多種有限元算法。限元法會(huì)引起數(shù)據(jù)偏大的問題，該現(xiàn)象會(huì)影響到最終的分析結(jié)果。為解決該現(xiàn)象就必須使用隨機(jī)邊界。這種方法能夠精細(xì)化分析數(shù)據(jù)，在減少計(jì)算量的同時(shí)保障計(jì)算精準(zhǔn)度。

4 船舶載重分析

船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要將波浪載荷考慮在內(nèi)。波浪載荷的精確計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的準(zhǔn)確性評(píng)定。船舶波浪承載分為兩部分內(nèi)容分別為總體載荷與局部載荷。其中總體載荷應(yīng)用海水壓力，是海水壓力對(duì)船體造成的影響。當(dāng)然海水壓力會(huì)引發(fā)船體晃動(dòng)問題，波浪會(huì)導(dǎo)致船體內(nèi)部的不穩(wěn)定。以船舶安全角度考慮，波浪載荷的計(jì)算與分析會(huì)對(duì)船舶極限強(qiáng)度造成一定影響。不同形狀的船體在面對(duì)不同形狀的波浪時(shí)會(huì)遇到不同類型的問題，該現(xiàn)象加劇了波浪載荷計(jì)算難度。目前比較常見的計(jì)算方法為，通過分析波浪載荷與波浪誘導(dǎo)得出對(duì)應(yīng)函數(shù)，隨后采用統(tǒng)計(jì)法短期預(yù)報(bào)波浪載荷與船舶運(yùn)動(dòng)，利用波浪載荷與波浪誘導(dǎo)所得波浪散布圖、海浪圖、函數(shù)表推測與長期預(yù)報(bào)波浪載荷與船舶運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然不論是長期預(yù)報(bào)還是短期預(yù)報(bào)都是圍繞實(shí)際數(shù)據(jù)展開的計(jì)算過程，因此波浪載重極限數(shù)值比較穩(wěn)定、準(zhǔn)確、有保障。

5 結(jié)語

對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言，安全是應(yīng)當(dāng)考慮的首要因素。海洋工程與船舶的整體構(gòu)思、極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)都要圍繞安全需求展開深入的分析，應(yīng)用逐步破壞法、有限元、直接計(jì)算等方式，解析預(yù)報(bào)極限強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整體化升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李帥朝.基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探究[J].科技展望，2016，26（31）：303.

[2]李恒，郎元榮.船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析[J].科技資訊，2015，13（07）：68.