關于船舶與海洋工程結構極限強度的探討

【摘 要】船舶與海洋工程結構的極限強度以及被作為船舶結構強度運動的重點研究方向，然而當前的研究力度顯然是不夠的，務必增加研究力度，將極限強度的運算和研究運用到船體結構的研發中去。通過不斷的研究和改進，才能解決當前航海運行中的實際問題。總而言之，船舶與海洋工程的結構研究是與人們息息相關的研究命題。它可以為船舶和海洋工程結構設計和改善提供強有力的參考價值。

【關鍵詞】船舶；海洋工程；結構極限強度

引言

近年來隨著海上運輸行業、海洋作業平臺的發展，船舶及海工平臺的數量越來越多，發生的海上事故數量也逐年增多，加上船舶與海洋工程結構極限強度分析，能夠全面提升船舶與海洋工程結構的合理性，找到最優化結構強度配比，從而為海洋安全作業提供重要數據制成。隨著科技水平的提升和結構分析設計技術的不斷進步，船舶與海洋工程結構極限強度計算和分析水平越來越高。作為船舶與海洋工程結構設計的重要環節，需要結合具體的船體模型進行分析，從而找到科學的計算分析方法。

1 結構極限強度基礎內容概述

極限強度主要是指船體結構能夠抵抗整體船體剛度和承載能力完全喪失的最大承受能力和水平。當船舶在運行過程中要盡可能避免受到外力作用達到極限狀態，一旦到達一定程度的破壞，就要立即采取防護措施進行急救，從而避免發生海上作業事故。在對船舶與海洋工程結構設計過程中，結構極限強度計算和分析是非常重要的步驟，通常情況下對構建的船體模型，采取有限元分析的方法得到關于結構極限強度的一些基本元素，比如構建屈曲、塑形的數值，進而按照一定的原理和公式核算出結構極限強度。但是這種方式誤差較大、影響因素較多，計算復雜，并且耗費時間較長，所以利用率不高。目前比較常用的分析方法是“逐步破壞法”。具體方法流程在下面進行論述，運用該方法進行計算，能夠將結構極限強度的計算和分析過程更加全面地展現出來，對船體模型的計算按照橫向和縱向限度分析兩方面進行獨立核算，并且能夠通過數據限制和設定，計算出相鄰的船體模型的影響情況。該方法計算方式比較簡單，通過逐步分段計算和分析，進而進行整合計算，能夠大大提升計算和分析的精準性。結構極限的狀態分析。極限狀態本身就是一種比較難以預測和分析的過程，對于結構極限狀態判斷，都要根據明確的特征進行確定，從而在此基礎上進行分析和計算。該狀態主要是指整個系統發生崩潰，結構承載功能和總體剛度完全喪失，這個狀態的判定不是線性變化的過程，所以要根據整個破壞情況和結構構件剛性強度變化情況，采取逐步破壞方法進行分步計算，從而確保核算準確。

2 船舶與海洋工程結構極限強度計算方法概述

為了能夠更好地了解船舶與海洋工程的結構極限強度狀態，必須要使用逐步破壞法，直接計算法的方式，來計算并研究船舶結構構件的被破壞情況，進而完善并更新好船舶結構模型，使用增量荷載的方式針對結構極限強度進行計算。因此，結構極限強度計算的要求非常高，計算的步驟也很復雜，人們需要對船舶模型展開有限元理論的計算和分析，從而獲得船體結構模型的變形數據和屈服數據，不過有限元算法的缺點就是運算量比較大，造價成本也比較高，所以并不能很好地進行推廣。目前，應用最多的計算方式，則要數“逐步破壞法”，能夠很好地提升海洋工程結構極限強度計算結果的精確性，它的優點是可以針對船體模塊進行橫向崩潰與縱向崩潰間的轉化，進而獲得船舶結構尺寸，使得兩個彼此相接近的橫向剛架可以在縱向方向上崩潰。逐步破壞法原理就是可以讓船舶海洋工程中船體模型的橫向部分，可以在臨界的中垂過程或是中拱過程當中發生崩潰，使得船舶結構極限強度的計算能夠在某一具體分段上進行簡化計算。

3 船舶與海洋工程結構極限強度分析

3.1 對復雜結構系統的可靠性分析

因為考慮到船舶與海洋工程結構系統的復雜性和多變性，對船舶進行系統而完善的分析是必不可少的一個環節。基于船舶和海洋工程結構都是復雜性結構，因此他們具備多種失效途徑和失效模式。如果采用一般的枚舉法進行搜索就會引發系列爆炸性問題的產生。另外，為了解決失效模式下的結構性問題就必須生成真實可靠的技術數據來做依靠。一般情況下，當船舶載重的隨機變量的變異性大于船體本身結構變量的變異時，就可以運用搜索系統的失效途徑確定其結構。近幾年，由于計算機技術的大力發展，人工智能化技術引入到搜索系統之中，從根本上提高了分析的可靠性以及計算效率。

3.2 對受損結構和原有工程結構兩者的

安全性分析隨著船舶載體的多變性，近些年所開發設計的工程結構和前幾年的對比總會有結構上的變化。也有部分學者從結構余度的角度出發，來評定結構的安全性和完整性。從各個方面出發，綜合考慮結構系統的設計到投入使用中各個環節安全性和不確定因素，再加上經濟考慮實現完整性的評估。另外，對于船體受損結構的分析也需要在船舶原有的結構上展開分析，得出受損力度和海域情況。也需在分析的基礎上對以后的運行加以考慮，避免類似情況的出現。

3.3 大型復雜結構的隨機性分析

按照以往的分析模式，都是以確定性的概率得出平均值。但是這種方法不能有效的把各種隨機變量考慮進行，因此分析的數據具有不確定性。另外，限元法在結構分析中也普遍被運用，其中包括一階二次矩有限元法、響應面有限元法、點估計有限元法等。但是，限元法會使整體分析的數據偏大，對分析結果造成一定的影響。所以為了解決這個問題，隨機邊界元法被廣泛使用，邊界元法的使用使分析數據精細化，大大的降低了計算量。

4 船舶擱淺結構損傷分析

4.1 船底肋板和扶強材的變形損傷

根據船舶與海洋工程結構極限強度分析與計算方法的假設，可以得知船體整體的縱向結構與其極限強度密切相關，所以，對于船體底部的肋板以及位于肋板上面的扶強材出現的損壞和變形不需要進行太多考慮，只需要對肋板在變形的時候發生的能量消耗進行關注即可。船舶底部的肋板變形大致可以劃分為兩側和中間這兩部分。肋板兩側部分對由于船體底部受到礁石的碰撞的波及而導致變形，而中間部分則是直接受到礁石的作用力而產生變形。

4.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

當船舶出現了擱淺事故的時候，船舶的外底板的縱骨深度通常會小于礁石的對船底的撞擊深度，而且由于縱骨會受到礁石的擠壓和沖撞作用，直接達到整體塑形的狀態，所以在船體的結構極限強度中不能發揮出任何作用。因為縱骨的結構極限強度失效，所以在計算和分析的過程中對受到損害的船舶底部的外板也由之前的多個縱向加筋板單元變換成一塊橫向的加筋板單元。

4.3 船舶底部縱桁的損傷變形

船舶底部的縱桁在整個船體中起著支撐作用，在發生擱淺事故時，船舶底部的縱桁由于受到礁石的擠壓，結構遭到破壞，導致其無法繼續支撐船體結構。為解決這種問題，可以利用逐步破壞分析法來推導縱桁受力的變形情況，有助于船舶設計人員根據其變形情況加強結構建設，提高船舶整體的極限強度，保證船舶的行駛安全。

5 現場重點結構部位疲勞節點打磨的推廣

現實生產過程中針對一些結構應力比較大的部位，為了避免應力集中，或者在復雜的海況下該部位容易發生疲勞甚至斷裂，除了通過先期計算增加架構的輕度之外，還要在焊接和處理焊縫外觀的時候，按照抗疲勞節點去進行焊接打磨，同樣也可以增強重點部位的抗疲勞的能力。

結束語

海上航運不斷發展，船舶設計建造技術不斷提升，我們可以采用有限元計算分析法、逐步破壞計算分析法和直接計算分析法等，增強船舶結構的極限強度，保證船舶的運輸安全。

參考文獻：

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[2]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（31）

[3]張季.關于船舶與海洋工程結構極限強度的探討[J].中國高新區.2018（04）

作者簡介：

李超，性別：男，出生年：198203，學歷：本科。身份證號碼：320324198203151596，工作單位：啟東中遠海運海洋工程有限公司。

（作者單位：啟東中遠海運海洋工程有限公司）