马永锋 胡海鹏 卞宇 杨志华 杨峰

摘要：结构极限强度的设计过程需要构建起一个与船体特征相似的模型来实现对船舶海洋工程结构极限强度的分析和计算，一般情况下相关的设计人员主要是应用对船体模型进行有限元分析来实现对船体模块极限强度的确定。但是我们需要注意的是这种方法在实际对船舶与海洋工程结构极限强度进行分析的过程中也存在着一定的局限性。

关键词：船舶与海洋工程；结构极限强度；逐步破坏法

中图分类号：P75；U661.43 文献标识码：A 文章编号：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 结构极限强度计算方法概述

在对整个船舶与海洋工程的结构设计过程中结构极限强度的计算和分析常常伴有非常多的计算内容，并且在整个结构设计的过程中并且对于这一个环节的要求也最高。尽管相关的设计人员在对船体结构极限强度进行确定的时候可以运用船体模型的有限元分析计算方法对于船体模型的构建屈曲和塑形变形方面能够得到一个相对准确的测量结果。但是由于这种方法的计算量和计算成本过大，想要得到实际应用便十分困难。因此当前正在广泛使用的计算方法是逐步破坏法。这种方法主要特点在于计算量以及计算成本都比较小，并且在精确程度方面也有较强的保证。

逐步破坏法之所以成为船舶与海洋工程结构极限强度计算的主流方法在于它能够对下面两个方面的计算工作量进行简化，第一，通过制造一定的环境来将用于结构极限强度计算和分析的船体模块转化为满足计算过程需要的横纵方向崩溃的两种总崩溃模式，来实现计算量的减少；第二，通过对相关的尺寸进行限制来实现相邻两个横向钢架发生纵向崩溃。

逐步破坏法的在应用到船舶与海洋工程结构极限强度分析过程中能够在一定程度上实现船舶与海洋工程的船体模型在横向钢架的临界分段的中垂过程或者中挑过程发生崩溃的效果，在这样的情况下相关的计算人员就可以将机构极限强度的计算工作简化成对船体某一分段的极限强度进行计算的形式，这种转换的过程能够在保证计算结果准确性较高的同时有效的降低计算的工作量。

2 结构极限状态

从表象进行分析可以发现结构极限状态属于一种结构产生崩溃的现象，这种状态之下的结构本身的承载能力和总体刚度都会直接降低为0。在一般情况下经常直接应用特征值来对壳体结构的极限强度来进行估算或者计算，但是船舶与海洋工程中经常会由于结构构件的弯矩不断增加的过程中出现屈曲情况或者屈服情况。一些构件和已经发生破坏的构件都能够在一定程度上承载外界剪力荷载，这种破坏的过程并不会立刻导致结构的弹性刚度消失，而是在外界破坏力不断增加的过程中一点点的变小，直至消失为0。

3 逐步破坏法

3.1 建立分段模型

对分段进行选取的过程中要注意我们所选取的应用于模型构建的分段是在不利工况下最先出现崩溃的那个部分。构成船体模型的所有主要构件在骨架间距中都有所包含，正常情况下最先发生崩溃的位置是在临界分段添加了筋板的位置。建立分段模型主要是通过对加筋板单元的非线性大挠度进行计算和分析。

3.2 分段基本假定

在这个环节中我们可以分出以下几种假设，第一种假设是，假设由于船体断面的崩溃使框架板格出现压缩屈服的情况；第二种假设是，假设框架间的梁-柱崩溃应力的具体数值比加上强筋位置的侧倾临界力和船体整体结构失稳时刻的临界应力小；第三种假设是，假设在醇提断面发生曲率的变化之后横断面的应力呈现线性分布的情况。

3.3 破坏力计算流程

3.3.1 休斯法

这种方法主要是利用休斯公司对加筋板模块的应力和应变关系进行分析和计算，结构变形的总纵极限弯矩的求取会出现在对结构构件中垂情况和中拱情况进行分析和计算完成之后。运用休斯法进行计算的过程可以分为以下几个环节：第一个环节是将船体模型进行离散划分成多个角模块和加筋板模块；第二个环节是应用有效的方法对船体离散模块的应力和应变之间存在的关系进行准确的确定；第三个环节是选取在第一个加筋板出现破坏情况船体梁在这个时候的初始曲率；第四，对船体模型全部模块的应变运用准确的方法进行计算；第五环节是在我们对船体整体断面的力平衡方程构建完成之后对每个单元的应变情况进行记录并将中和轴的位置进行进一步的确定；第六个环节是运用叠加计算求出总的弯矩；第七个环节是在对当前和先前的总体弯矩值大小进行多次比较之后去顶极限的弯矩值。

3.3.2 有限元法

在对船舶与海洋工程船体模型的极限强度进行分析的过程中加筋板单元在受到破坏之后会出现大挠度与大变形的情况，这个过程中应力与应变关系会呈现出一个较为复杂的非线性装填。这个非线性变化出现的主要原因可能是材料的非线性或者接触非线性以及几何非线性。运用逐量增步的方法進行求解可以在非线性分析过程中加入一些非线性特征，这样能够更加方便对复杂非线性问题的分析和研究。

4 结束语

对船体结构的极限强度进行准确的计算能够在一定程度上保证船舶与海洋工程的正常进行。相关人员在对现有的逐步破坏计算方法应用的过程中也要不断探究更加有效的方法来提高计算的精确度，从而提高船舶船舶与海洋工程结构极限强度，为我国海洋事业的发展做出贡献。

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