关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨

    徐海军

    摘 要：在海洋事业的快速发展过程中，船舶数量获得了显著的增加，与之对应的是在船舶数量不断增加的同时，船舶搁浅一类事故的数量有了一定的增长。在船舶遇到此类特殊事故时，其本身的强度会受到严重影响，对于船舶今后的使用而言非常不利。现如今国内对船舶海洋工程的极限强度展开的研究深度仍旧不够，制约船舶海洋工程发展的最重要因素就是其极限强度，故需要人们的进一步分析、进一步处理。

    关键词：船舶；海洋工程结构；极限强度

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

    0 前言

    船舶海洋工程的极限强度计算需要考虑众多因素，而不仅仅是简单的计算材质强度就行。在计算的过程中通常需要建模的方式，通过模拟、有限元计算得出船体实际结构强度。当然这种方法也是有弊端的，实际使用中需要与其他技术一同配合。本文将以船舶海洋工程结果强度设计需要考虑的问题为着手点，阐述其计算方式与极限强度要求，希望可以帮助更多设计者，为研究人员提供一定建议。

    1 极限强度的计算

    船舶海洋工程结构是否合理需要考虑众多因素，是非常复杂的分析、计算过程。分析与计算的过程中大多使用有限元测量船舶模型，得出船体模型在运行中出现的塑性变形、构件屈曲数据，进而得出船体模型的精准强度。不过这种方法虽然可用，但是也面临着成本高、工作量大的问题，故没有得到全面推广。逐步破坏法是目前比较常用的计算方式，这种计算方法运算量较少，在计算极限强度的过程中能够保持精准需求。逐步破坏法在船舶海洋工程极限强度计算中的优势主要有两点。第一点能够分析与计算船体模型横向崩溃、纵向崩溃总模式的转化。第二点通过限制某些数值，实现相邻刚架崩溃演示。这种方法能够让船舶海洋工程模型在中拱或是中垂的过程中崩溃，既简化了计算难度，同时也保障了计算精准度，是一种效果显著，成本较低的计算思路。

    2 极限强度分析方法

    结合船体计算强度概念需求我们能够得出船体梁总纵的强度分析有众多方法，目前比较常见的包括逐步破坏、有限元、直接计算三种方式。

    （1）逐步破坏。该方法采取的是利用船体结构的材质特征与结构损坏原理。众所周知船体结构在使用过程中并非是瞬间损坏，而是从小到大、从简到繁的逐步损坏过程。利用平断面假设逐步破坏增量曲率法能够得出纤维应力应变关系可以用于描述屈服、屈曲引发的加筋板损坏。史密斯利用非线性有限元对单元弹性大挠度分析获得单元平均应力平均应变关系[1]。史密斯的方法是否精准需要依靠应力应变关系所决定。

    （2）有限元。有限元是一种使用效果非常显著的计算方法，该方法不论对哪一种结构、哪一种加载类型都能应用。应用正交各向异性板单元、梁单元、平板单元可以在得出动态或静态载荷条件下的结构极限强度。此外这种方法还能够响应与分析单个结构，将船体的剪力、弯矩、扭矩纳入其中。库特采用有限元的方式分析与计算了超过4条船极限强度，展开了对每一艘船的有限元模型载荷状态计算，最终所得结果考虑了塑性效应、后屈曲、屈曲要素。

    （3）直接计算。考德威尔利用船体横剖面全塑性弯矩对船体总纵极限强度进行了估算解释结构屈曲的影响[2]。考德威尔的这种思路并没有将加筋板承受压应力考虑在内，没有想过在超出极限强度以后发生的截面应力、载荷缩短引起的压应力重新分布现象。所以这种方式最终结果通常都会超出船体真实极限强度。

    3 工程极限强度分析

    （1）可靠性。因为船舶海洋工程本身就有着多变性、复杂性特点，因此为了保障船舶能够在海面上的稳定使用就必须认真的分析船舶结构中的所有细节。船舶海洋工程非常复杂，存在多种失效模式与失效途径。采取简单的枚举法搜索只会酿出大错，甚至可能会出现爆炸问题。此外失效模式条件下的结构问题需要依靠可靠、真实的数据。通常情况时在船舶载重变量变异条件下需要应用搜索系统确定结构。不过近些年的科技快速发展，使得计算机技术取代了这种方式。人工智能技术在搜索引擎中的引用全面提高了分析计算效率与分析可靠性。

    （2）安全性。船舶载体并不统一，存在多变性特点。结合近些年的数据情况来看，近些年的船体工程结构与多年前的结构存在比较突出的变化。一些学者以结构余度展开分析，评测结构完整性与安全性。通过全方位的分析得出不确定性因素与安全需求，站在经济角度考虑完整性评估。除此之外船体结构分析还要结合船舶原有结构，从中得出船舶受损情况与海域条件。随后根据前面所得数据考虑运行条件、运行需求，以免再次发生类似问题。

    （3）随机性。过去对船舶结构的分析大多利用了确定概率计算平均值，这种方式无法完全将所有随机变量纳入其中，数据分析不确定性问题比较显著。当前最常用的计算方法就是有限元，有限元对船舶结构的分析效果非常显著。有限元实际包括很多种方式比如点估计、响应面、一阶二次矩等多种有限元算法。限元法会引起数据偏大的问题，该现象会影响到最终的分析结果。为解决该现象就必须使用随机边界。这种方法能够精细化分析数据，在减少计算量的同时保障计算精准度。

    4 船舶载重分析

    船舶结构设计需要将波浪载荷考虑在内。波浪载荷的精确计算可以实现船舶结构的优化设计与结构强度的准确性评定。船舶波浪承载分为两部分内容分别为总体载荷与局部载荷。其中总体载荷应用海水压力，是海水压力对船体造成的影响。当然海水压力会引发船体晃动问题，波浪会导致船体内部的不稳定。以船舶安全角度考虑，波浪载荷的计算与分析会对船舶极限强度造成一定影响。不同形状的船體在面对不同形状的波浪时会遇到不同类型的问题，该现象加剧了波浪载荷计算难度。目前比较常见的计算方法为，通过分析波浪载荷与波浪诱导得出对应函数，随后采用统计法短期预报波浪载荷与船舶运动，利用波浪载荷与波浪诱导所得波浪散布图、海浪图、函数表推测与长期预报波浪载荷与船舶运动。当然不论是长期预报还是短期预报都是围绕实际数据展开的计算过程，因此波浪载重极限数值比较稳定、准确、有保障。

    5 结语

    对于船舶设计而言，安全是应当考虑的首要因素。海洋工程与船舶的整体构思、极限强度设计都要围绕安全需求展开深入的分析，应用逐步破坏法、有限元、直接计算等方式，解析预报极限强度，实现船体结构强度的整体化升级。

    参考文献：

    [1]李帅朝.基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究[J].科技展望，2016，26（31）：303.

    [2]李恒，郎元荣.船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].科技资讯，2015，13（07）：68.