關于船舶與海洋工程結構極限強度的探討

徐海軍

摘 要：在海洋事業的快速發展過程中，船舶數量獲得了顯著的增加，與之對應的是在船舶數量不斷增加的同時，船舶擱淺一類事故的數量有了一定的增長。在船舶遇到此類特殊事故時，其本身的強度會受到嚴重影響，對于船舶今后的使用而言非常不利。現如今國內對船舶海洋工程的極限強度展開的研究深度仍舊不夠，制約船舶海洋工程發展的最重要因素就是其極限強度，故需要人們的進一步分析、進一步處理。

關鍵詞：船舶；海洋工程結構；極限強度

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

0 前言

船舶海洋工程的極限強度計算需要考慮眾多因素，而不僅僅是簡單的計算材質強度就行。在計算的過程中通常需要建模的方式，通過模擬、有限元計算得出船體實際結構強度。當然這種方法也是有弊端的，實際使用中需要與其他技術一同配合。本文將以船舶海洋工程結果強度設計需要考慮的問題為著手點，闡述其計算方式與極限強度要求，希望可以幫助更多設計者，為研究人員提供一定建議。

1 極限強度的計算

船舶海洋工程結構是否合理需要考慮眾多因素，是非常復雜的分析、計算過程。分析與計算的過程中大多使用有限元測量船舶模型，得出船體模型在運行中出現的塑性變形、構件屈曲數據，進而得出船體模型的精準強度。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算方式，這種計算方法運算量較少，在計算極限強度的過程中能夠保持精準需求。逐步破壞法在船舶海洋工程極限強度計算中的優勢主要有兩點。第一點能夠分析與計算船體模型橫向崩潰、縱向崩潰總模式的轉化。第二點通過限制某些數值，實現相鄰剛架崩潰演示。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，既簡化了計算難度，同時也保障了計算精準度，是一種效果顯著，成本較低的計算思路。

2 極限強度分析方法

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

（1）逐步破壞。該方法采取的是利用船體結構的材質特征與結構損壞原理。眾所周知船體結構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。利用平斷面假設逐步破壞增量曲率法能夠得出纖維應力應變關系可以用于描述屈服、屈曲引發的加筋板損壞。史密斯利用非線性有限元對單元彈性大撓度分析獲得單元平均應力平均應變關系[1]。史密斯的方法是否精準需要依靠應力應變關系所決定。

（2）有限元。有限元是一種使用效果非常顯著的計算方法，該方法不論對哪一種結構、哪一種加載類型都能應用。應用正交各向異性板單元、梁單元、平板單元可以在得出動態或靜態載荷條件下的結構極限強度。此外這種方法還能夠響應與分析單個結構，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算了超過4條船極限強度，展開了對每一艘船的有限元模型載荷狀態計算，最終所得結果考慮了塑性效應、后屈曲、屈曲要素。

（3）直接計算。考德威爾利用船體橫剖面全塑性彎矩對船體總縱極限強度進行了估算解釋結構屈曲的影響[2]。考德威爾的這種思路并沒有將加筋板承受壓應力考慮在內，沒有想過在超出極限強度以后發生的截面應力、載荷縮短引起的壓應力重新分布現象。所以這種方式最終結果通常都會超出船體真實極限強度。

3 工程極限強度分析

（1）可靠性。因為船舶海洋工程本身就有著多變性、復雜性特點，因此為了保障船舶能夠在海面上的穩定使用就必須認真的分析船舶結構中的所有細節。船舶海洋工程非常復雜，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釀出大錯，甚至可能會出現爆炸問題。此外失效模式條件下的結構問題需要依靠可靠、真實的數據。通常情況時在船舶載重變量變異條件下需要應用搜索系統確定結構。不過近些年的科技快速發展，使得計算機技術取代了這種方式。人工智能技術在搜索引擎中的引用全面提高了分析計算效率與分析可靠性。

（2）安全性。船舶載體并不統一，存在多變性特點。結合近些年的數據情況來看，近些年的船體工程結構與多年前的結構存在比較突出的變化。一些學者以結構余度展開分析，評測結構完整性與安全性。通過全方位的分析得出不確定性因素與安全需求，站在經濟角度考慮完整性評估。除此之外船體結構分析還要結合船舶原有結構，從中得出船舶受損情況與海域條件。隨后根據前面所得數據考慮運行條件、運行需求，以免再次發生類似問題。

（3）隨機性。過去對船舶結構的分析大多利用了確定概率計算平均值，這種方式無法完全將所有隨機變量納入其中，數據分析不確定性問題比較顯著。當前最常用的計算方法就是有限元，有限元對船舶結構的分析效果非常顯著。有限元實際包括很多種方式比如點估計、響應面、一階二次矩等多種有限元算法。限元法會引起數據偏大的問題，該現象會影響到最終的分析結果。為解決該現象就必須使用隨機邊界。這種方法能夠精細化分析數據，在減少計算量的同時保障計算精準度。

4 船舶載重分析

船舶結構設計需要將波浪載荷考慮在內。波浪載荷的精確計算可以實現船舶結構的優化設計與結構強度的準確性評定。船舶波浪承載分為兩部分內容分別為總體載荷與局部載荷。其中總體載荷應用海水壓力，是海水壓力對船體造成的影響。當然海水壓力會引發船體晃動問題，波浪會導致船體內部的不穩定。以船舶安全角度考慮，波浪載荷的計算與分析會對船舶極限強度造成一定影響。不同形狀的船體在面對不同形狀的波浪時會遇到不同類型的問題，該現象加劇了波浪載荷計算難度。目前比較常見的計算方法為，通過分析波浪載荷與波浪誘導得出對應函數，隨后采用統計法短期預報波浪載荷與船舶運動，利用波浪載荷與波浪誘導所得波浪散布圖、海浪圖、函數表推測與長期預報波浪載荷與船舶運動。當然不論是長期預報還是短期預報都是圍繞實際數據展開的計算過程，因此波浪載重極限數值比較穩定、準確、有保障。

5 結語

對于船舶設計而言，安全是應當考慮的首要因素。海洋工程與船舶的整體構思、極限強度設計都要圍繞安全需求展開深入的分析，應用逐步破壞法、有限元、直接計算等方式，解析預報極限強度，實現船體結構強度的整體化升級。

參考文獻：

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

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