船舶結構強度與疲勞強度的計算技術研究

周啟學　任晉宇

摘 要：船舶在水上行進的過程中，所受到的力是非常復雜的，由于水流的沖擊和船體的重力以及所受的浮力之間的作用，想要計算船舶的結構強度和疲勞強度是非常困難的，所以在船舶的結構強度計算中，一般是采取極限強度計算法和總縱強度計算法。船舶的疲勞強度的計算所面對的因素更多，所以，采取船舶疲勞強度的校核，以及對疲勞強度的壽命評估，是比較系統的計算方式。本文淺談船舶結構強度與疲勞強度的計算技術。

關鍵詞：船舶結構強度;疲勞強度;計算技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.033

隨著人們社會的進步，對海洋的探索近乎無止境，所以各類船舶公司的規模不斷擴大，相對應的傳播修理公司也隨之增加，所面臨的船舶修理任務也越來越多。在這種情況下，由于出現的各類問題中，如果采取不當的修理方式，反而會進一步降低船舶抵抗風險的能力，甚至適得其反。因此，研究船舶結構的結構強度和疲勞強度，并進行計算分析，然后和船舶的修理工程相結合，從而提高船舶的修理質量，保證船舶結構的安全性。

1 船舶結構強度

船舶的結構力學從本質上來說，就是船體在水中航行的受力甚至變形的情況，而這些在船體的設計過程中，就會對船舶的強度進行計算，通過在對船體結構已經確定的情況下，給定外界傳輸的荷載，然后進行計算船體的結構強度。為了能夠便于計算，需要將船舶的結構簡化，并且控制船舶外界所受到的荷載力，從而利用船舶的理論知識來計算船體在水流行進中應力、變形的強度計算。

2 船舶的結構強度分析與計算

船舶的結構強度計算和設計建造時的強度計算是一致的，而在船舶的修理中，這些結構仍然是不變的，哪怕是立法和能量法，位移法和矩陣法，都是不曾改變的。所以在這和過程中可以采取一種結構來進行計算。

2.1 力學求解

這是船舶結構中比較基礎，也是比較常用的方法之一，原理就是將不能夠將控制的因素去除，形成穩定性的靜定結構，如此一來，就能夠得到想要的方程式，由于去掉不確定因素后，多出現的變形方程式和元老結構的方程式基本相同。以n為未知力，則會出現“力法正則方程式”。

2.2 以位移法求解

以位移法求船舶的結構強度，是比較全面的，主要是利用節點轉角的設定，延后利用節點的一個斷面彎矩的一個平衡條件，一次來進行求解工作。它的基本原理可以理解成從結構的節點找到可轉動的節點數，然后對轉角的節點數進行約束的作用;然后再對這些節點數進行迫動，使之轉角，然后根據具體的方程式列出桿端彎矩，最后再建立各個節點的方程式，從而得出正確的答案。

2.3 總縱強度的計算

一般來說，對于船舶的總強度計算是有標準的，第一就是在試驗中，將船舶放置在已經準備的模擬環境的波浪中，暫定船舶是在波浪中行進，且行進的方向與水流的方向一致，如此，傳播和水流就處于相對靜止;第二同樣是船舶放置在已經模擬好的環境中，標準的波形以二維坦谷波，這樣，船長即波長，只需要按照相關的計算即可以進行。第三是在取極限值進行計算，即波峰與波谷兩種極限狀態進行計算。

如此一來波浪彎矩和波浪切力都可以得到計算。

總的來說，總縱強度的計算是基于船體機構多個部件的受力計算，由于船體是多部件組成，因此，在計算中對船體結構在實際運行中的受力和傳力進行合理化的分析，進而確定船體的結構強度。以橫骨架式為例，如果假定傳遞只有水的力量，那么承受水的力量必然是船體下面的底板，然后底板在依次橫固，再傳入船體的各個結構。若已、以縱骨架式為例，仍然假定船體只收的水的力量，那么水的力量仍然是傳遞給外底板，外底板在依次傳遞給縱骨，然后是板架。所以，總縱強度的計算，通常要考慮各構件之間力的傳遞，在力的傳遞中船體發橫變形或者是彎曲，這是產生的彎曲應力方能進行計算。

3 船舶疲勞強度

船舶的疲勞強度主要是指船舶在實際的運行當中，船舶的結構因為受到力的影響，導致在船體在周期內受到破壞。而且船體不管是有無裝載運行，或者是大風大浪的影響，都會受到額外的傷害，這種傷害常年雷擊，就會造成船舶疲勞強度的嚴重影響，進而影響船體的質量。事實上，船體的疲勞程度和船體的材料、承受力度、使用壽命等方面有著密切的聯系。因此，在船舶疲勞強度的計算中，迄今為止還沒有一個明確的算法，但是可以對船舶疲勞強度進行一定的估算，從而大致計算出船舶的疲勞強度，以延長船體的結構的壽命。

3.1 仿真軟件計算法

現階段主流的仿真軟件有很多，但大體上都是軟件的本身存在著很多的龐大的數據庫，能夠滿足各類實驗的需求。以Multisim仿真軟件為例，Multisim仿真軟件主要是應用在電路上的各種仿真模擬上，包括電路的設計和測試以及分析等方面實驗，能夠直觀的展示電路的運行狀態，給學生帶來明確的知識傳遞。Multisim仿真軟件內部蘊含的技術是非常多的，涉及電路的多方面領域的知識和原理，電路自動控制、電路模擬和危機接口電路都是其中的一環。Multisim仿真軟件有著豐富存儲量的元件庫，不僅能夠滿足在不同條件、不同情況下的實驗，也能夠保證實驗數據的逼真性，保證實驗數據和實際數據的統一性。

3.2 斷裂力學方法

一般來說，研究船舶的疲勞強度，很大程度上就是建立在船舶疲勞斷裂的問題上，只有這樣，才能精準的進行船舶疲勞值的一個估算。這其中船舶的斷裂力學方法就是一種非常有效的措施。斷裂力學法，是基于Paris裂紋擴展的一個法則，具體主要是在模擬中，假定船體的裂痕存在，（事實上，不管任何材料，從微觀意義上講都是由裂痕的存在的），那么在外力的不斷作用下，研究裂紋的一個擴展的過程，從而判斷裂紋的產生對于船體疲勞強度的影響。

3.3 S-N曲線

S-N曲線法是通過無數的實驗進行累計，從而研究出各種船舶結構中的S-N曲線，能夠從很大程度上反應船體疲勞程度的一個損傷，反應船體在運行中剩余的一個船體的壽命，并且還能夠求出船舶結構中疲勞分析的強度。所以，S-N曲線又被稱為應力幅值曲線，是反應船舶疲勞壽命的直觀曲線。所以，在實驗中，以S為交變應力的應力幅值，那么N自然就代表著在這種力度作用下船舶被破壞的應力的一個循環次數，也就是我們想要求的疲勞壽命。事實上，這種實驗由于還存在設不確定性，因此有可能最后求出的預算值會有所偏差。比如說在試驗中模型是否真的能代替實際的船舶;船舶疲勞性的誤差以及疲勞書記的統計中的形式分布，都會影響S-N的數值。現階段比較成熟的曲線坐標中，都是一下兩種模型曲線：

在這其中A是低周常數，C是高周曲線中的常數，m是低周曲線的倒數，r是高周曲線的倒數。

3.4 隨機荷載和疲勞累計模型

隨機荷載和疲勞累計模型也是比較常用的船舶疲勞強度預估辦法，由于船體結構是一直處于疲勞荷載的狀態，因此交變應力會持續增強，逐漸累計的對船舶的疲勞強度造成損傷。一般來說船舶的隨機荷載是由波浪、撞擊、發送機或者是螺旋槳、已經船底輕微的觸碰等。疲勞積累損傷也是基于S-N的曲線，服從者很多密度函數。總的來說隨機荷載和疲勞累計模型設計到的疲勞強度的計算也是非常多的，就不一一列舉。

4 結束語

通過各種航行經驗，船體的結構強度和疲勞強度是船舶的設計和運行過程中不可繞過的一個要點，關系到船舶的質量和使用壽命。因此，我們要在設計中重視這個問題，通過對結構強度的計算和疲勞強度的估算，來設計中性能優良的船舶。

參考文獻：

[1]陳伯真，胡毓仁.液化氣體船液艙結構的疲勞可靠性分析[J].中國造船，1993（03）：69-80.

項目名稱：互聯網遠程水下機器人的研發及其應用研究

項目編號：B2018495

作者簡介：周啟學（1966-），男，湖北天門人，本科，研究方向：船舶工程技術、高職教育研究。

*為通訊作者