赵恒

【摘  要】针对船舶与海洋工程中船体结构的极限强度分析来看，需要结构极限强度的优化是非常重要的，特别是在对船舶搁浅情况进行分析时，可以有效地应用极限强度理论来展开船体荷载预警，进而提高船舶海洋工程结构设计的精确性和稳定性。本文对船舶与海洋工程结构极限强度分析进行了探讨。

【关键词】船舶;海洋工程;结构极限强度;分析

由于船舶与海洋工程的结构极限状态是一种复杂的非线性变化过程，通过采用简化后的逐步破坏法，使得船体模型的加筋板在最薄弱处破坏，继而依次引起其他加筋板的破坏，最后船体整体结构不再增加承载力，达到极限强度。

1 船舶与海洋工程结构极限强度的计算方法

1.1逐步破坏分析法

在对船体结构破坏的机理进行有效分析以后发现，船体结构的整体破坏在实际上就是被逐渐破坏的过程。在平断面假设以及构建逐步破坏增量曲率法的基础上，得出在对屈曲和屈服引起的加筋板逐步破坏进行描述的时候可以通过横剖面纤维的应力- 应变关系进行，然后在考虑范围中纳入后屈曲效应。Smith 在对单元弹塑性大挠度分析的时候可以通过非线性有限元进行，从而得知单元平均应力- 平均应变之间的关系。该计算方法的精度直接受单元平均应力- 平均应变之间关系决定。

1.2直接计算法

Caldwell 估算船体总纵极限强度的时候根据船体横剖面的全塑性弯矩进行，对结构屈曲造成的影响通过受压构件承载能力的折减进行解释。这种方式在对结构极限强度进行计算的时候没有对筋板单元增加所产生的承受压应力比极限强度大而重新对载荷缩短行为以及截面应力进行分布的因素进行考虑，因此，使用该计算方法所估算出来的船体结构总纵极限强度值通常较高。

1.3有限元法

任何一种加载类型以及结构模型对有限元法都比较适用。将梁单元、平板单元、正交各向异性板单元引入，不仅可以对结构静态载荷作用下以及动态载荷作用下的极限状态进行分析，还可以将单个结构作为整体进行分析，并且在考虑范围中纳入船体在扭矩、剪力、弯矩共同作用下的响应。Kutt 对四条船体利用该计算方法对各个载荷状态、不同有限元模型纵向极限强度进行了分析，同时在分析的过程中对塑性效应、屈曲效应、后屈曲效应进行了充分考虑。

2 船舶与海洋工程结构极限强度分析

2.1结构极限强度计算方法

在船舶与海洋工程的结构理性设计中，结构极限强度的计算和分析是要求最高也最为复杂的环节。在实际中，通常利用对船体模型进行有限元分析的方法测量船体模型的构件屈曲和塑形变形等数据，从而得出比较精确的船体模型极限强度。然而，这种方法在实际运用中工作量很大，且成本很高，因此，推广程度不高。当前，一种叫作逐步破坏法的计算方法则较为常用。一是将用于结构极限强度计算与分析的船体模块向横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式转化;二是通过限制相關尺寸，确保相邻的两个横向刚架纵向崩溃。逐步破坏法能够让船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或中拱过程中崩溃，将结构极限强度计算向船体某一分段极限纵强度计算简化，不仅能确保计算结果的精确性，还能大大减少计算工作量。三是建立分段模型。逐步破坏法的应用，并非是随意应用的方法，而是有着精密的体系和系统的要求。首先，我们要根据船舶与海洋工程的各项已知数据，针对船体模型进行分析。每次分析，只能对某个分段崩溃情况下琛。所以需要选择船体模型分段的过程当中，要保证其选择分段性，不可在不利情况进行。除此之外，船体模型的建立和分析当中，应对每一个分段的组成进行了解，包括角单元、加筋板单元等等，分析各个构件的主要作用，从而对加筋板单元的非线性大挠度进行分析、计算，最终获得准确的结果。

2.2双向拉伸载荷下的含裂纹缺陷板剩余极限强度分析

船舶结构的不同对含裂纹缺陷板剩余极限强度存在着不同的影响。目前应用最广泛的结构是焊接结构，但现今的加工工艺尚不完善，因而使得这一结构当中存在种种天然缺陷。同时，在船舶使用期限内的较大交变应力的作用下，也会使船舶结构中的肘板、扶强材趾端及流水孔等部件不可避免地出现程度不同的裂纹损伤，且微观裂纹会随时间累积逐渐扩大成宏观裂纹。而在出现裂纹的情况下，影响船舶结构的剩余极限强度的关键在于裂纹特征（包括裂纹长度、角度等）、材质特点（屈服强度、可拉伸范围、弹性模量以及泊松比）、结构的几何规模（长宽比例、板厚度）以及边界加载环境等一系列因素。在交变载荷作用下，微观裂纹将最终扩展为宏观裂纹，这使得裂纹的相关参数具有明显的随机性，这也正是结构的剩余极限强度的重要衡量依据。而船体的板架结构中的加筋板格往往会受到面内载荷（主要指轴向载荷、边界剪切应力及面内轴向弯曲应力）和边侧载荷（水压力或货物负载会直接引起这种载荷出现）的双重作用。无论是纯粹的理论研究，还是全船结构的有限元分析，都共同指出对于纵骨架型结构的船舶来说，其加筋板承载的纵向面内载荷与边侧负载要超过横向面内载荷及边侧负载，而横骨架型结构的船舶则恰恰相反。船体板架结构含有裂纹损伤时，通常纵向拉压应力应处于核心地位。

2.3船舶搁浅结构损伤分析

一是船底肋板和扶强材的变形损伤。按照极限强度解析计算方法的假定，可以发现船舶的纵向构件决定了其极限强度，因此，不需要过多地考虑船舶底部肋板和肋板上的扶强材的损伤变形，只需要关注它们在变形过程中的能量耗散。肋板的变形分为中间和两边两个部分。肋板中间部分受到礁石的直接作用而发生变形，两边部分也会受到波及而变形。船舶总的变形能可通过这两部分变形能叠加得到，而肋板扶强材的变形能主要通过膜拉伸变形和塑性弯曲两种形式耗散。二是船舶外底板和纵骨的变形损伤。在船舶发生搁浅事故时，外底板纵骨的高度一般比礁石的撞击深度要小，在礁石的冲击挤压下，纵骨受到直接作用达到完全塑形状态，因而在船舶的极限强度中不发挥作用。由于纵骨失效，在解析计算过程中受损的船底外板也由原来的若干个纵向加筋板单元转化为一块横向板单元。三是船底纵桁和加强筋的变形损伤。船底纵桁垂向与内外底板相连接并起到支撑作用。当船舶发生搁浅事故时，船底纵桁受挤压变形。通过实际撞深下纵桁的变形能和垂直压缩距离等于双层底高度时纵桁的最大变形能的比值来确定纵桁的损伤情况。

2.4载荷响应预报和极限强度解析预报

在分析船舶结构时，需要确定作用在船体上的载荷。因为载荷计算在很大程度上决定了结构分析的精度。通常，船体上的波浪载荷分为总体载荷和局部载荷，其中，总体载荷指的是局部海水动压力的合力。另外，波浪还会引起冲击力、甲板上浪的水压力以及舱内液体晃荡力等载荷。总的来说，分析波浪载荷对船体的极限强度计算有着很关键的作用。在船体极限强度解析预报中，首先要将船体的横剖面划分为若干个小单元，其中，纵向加筋板单元是由一块板和一根纵向加强筋构成，横向加筋板单元一般情况下只有一块板，硬角单元通常是由两块不共面的板构成。将各个单元划分好以后得出各个单元的应力- 应变关系。

综上所述，出于对船舶安全性的考虑，要对船舶与海洋工程结构极限强度进行进一步的分析。运用逐步破坏法分析船舶在搁浅时的损伤，并对极限强度进行解析预报，从而加强对船体结构的设计。

参考文献：

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