關于船舶與海洋工程結構極限強度的分析

王小燕

摘 要：在航運業的不斷發展下，船舶的數量隨之增多。海上發生的事故很多是因船舶擱淺造成的。當船舶發生事故后，其結構強度會受到影響，由此帶來嚴重的后果。目前，我國對船舶與海洋工程結構極限強度的研究還不夠，而結構極限強度是船舶與海洋工程結構理性設計中最后一個關鍵環節，需要進一步研究。

關鍵詞：船舶；海洋工程；結構極限強度；結構損傷

中圖分類號：U661.43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.083

船舶與海洋工程結構極限強度的計算極其復雜，需要靠建立適當的船體模型來實現。通常采用對船體模塊進行有限元分析的方法來計算，但這種計算方法在實際運用中存在一定的局限性。本文主要探討了在船舶與海洋工程中結構強度方面需要注意的問題，以進一步分析極限強度，為海洋工程工作人員在這方面的研究提供幫助。

1 結構極限強度計算方法

在船舶與海洋工程的結構理性設計中，結構極限強度的計算和分析是要求最高也最為復雜的環節。在實際中，通常利用對船體模型進行有限元分析的方法測量船體模型的構件屈曲和塑形變形等數據，從而得出比較精確的船體模型極限強度。然而，這種方法在實際運用中工作量很大，且成本很高，因此，推廣程度不高。當前，一種叫作“逐步破壞法”的計算方法則較為常用。該方法不僅可以減少計算工作量，還可以提高極限強度計算結果的精確性。在船舶與海洋工程結構極限強度的計算上，逐步破壞法主要具有以下兩方面的優點：①將用于結構極限強度計算與分析的船體模塊向橫向崩潰和縱向崩潰這兩種獨立的總崩潰模式轉化；②通過限制相關尺寸，確保相鄰的兩個橫向剛架縱向崩潰。逐步破壞法能夠讓船舶與海洋工程的船體模型橫向剛架的臨界分段在中垂或中拱過程中崩潰，將結構極限強度計算向船體某一分段極限縱強度計算簡化，不僅能確保計算結果的精確性，還能大大減少計算工作量。

2 極限強度的分析計算

在提出船體結構總縱極限強度的概念之后，對船體梁總縱極限強度分析有了越來越多的方法，主要有逐步破壞分析法、直接計算法和有限元法。

2.1 逐步破壞分析法

通過分析船體結構破壞機理，發現船體結構的整體破壞實際上是一個逐步破壞的過程。基于平斷面假設，構件逐步破壞的增量曲率法，總結出可以利用橫剖面纖維的應力-應變關系描述由屈曲和屈服引起的加筋板逐步破壞，并將后屈曲效應納入考慮范圍。Smith通過非線性有限元對單元彈塑性大撓度分析來獲得單元平均應力-平均應變關系。這種方法的計算精度是由單元平均應力-平均應變關系的準確性決定的。

2.2 直接計算法

Caldwell根據船體橫剖面的全塑性彎矩對船體總縱極限強度進行了估算，利用受壓構件承載能力的折減來解釋結構屈曲的影響。這種方法沒有考慮當加筋板單元承受的壓應力超過其極限強度后的載荷縮短行為和截面應力的重新分布，因此對船體結構總縱極限強度值的估算一般過高。

2.3 有限元法

有限元法對任何加載類型與結構模型都適用。引入平板單元、梁單元以及正交各向異性板單元，不僅能夠分析結構在靜態和動態載荷作用下的極限狀態，還能夠對單個結構作整體響應分析，并且將船體在扭矩、彎矩以及剪力聯合作用下的響應納入考慮范圍。Kutt等利用這種方法計算和分析了4條船體按各種載荷狀態、不同的有限元模型的縱向極限強度，并在分析過程中考慮了屈曲、后屈曲及塑性效應。

3 船舶擱淺結構損傷分析

3.1 船底肋板和扶強材的變形損傷

按照極限強度解析計算方法的假定，可以發現船舶的縱向構件決定了其極限強度，因此，不需要過多地考慮船舶底部肋板和肋板上的扶強材的損傷變形，只需要關注它們在變形過程中的能量耗散。肋板的變形分為中間和兩邊兩個部分。肋板中間部分受到礁石的直接作用而發生變形，兩邊部分也會受到波及而變形。船舶總的變形能可通過這兩部分變形能Efloor，central、Efloor，side疊加得到，而肋板扶強材的變形能Efs主要通過膜拉伸變形和塑性彎曲兩種形式耗散。

3.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

在船舶發生擱淺事故時，外底板縱骨的高度一般比礁石的撞擊深度要小，在礁石的沖擊擠壓下，縱骨受到直接作用達到完全塑形狀態，因而在船舶的極限強度中不發揮作用。由于縱骨失效，在解析計算過程中受損的船底外板也由原來的若干個縱向加筋板單元轉化為一塊橫向板單元。

3.3 船底縱桁和加強筋的變形損傷

船底縱桁垂向與內外底板相連接并起到支撐作用。當船舶發生擱淺事故時，船底縱桁受擠壓變形。通過“實際撞深下縱桁的變形能和垂直壓縮距離等于雙層底高度時縱桁的最大變形能的比值”來確定縱桁的損傷情況。

4 載荷響應預報和極限強度解析預報

在分析船舶結構時，需要確定作用在船體上的載荷。因為載荷計算在很大程度上決定了結構分析的精度。通常，船體上的波浪載荷分為總體載荷和局部載荷，其中，總體載荷指的是局部海水動壓力的合力。另外，波浪還會引起沖擊力、甲板上浪的水壓力以及艙內液體晃蕩力等載荷。總的來說，分析波浪載荷對船體的極限強度計算有著很關鍵的作用。

在船體極限強度解析預報中，首先要將船體的橫剖面劃分為若干個小單元，其中，縱向加筋板單元是由一塊板和一根縱向加強筋構成，橫向加筋板單元一般情況下只有一塊板，硬角單元通常是由兩塊不共面的板構成。將各個單元劃分好以后，利用CSR規范公式得出各個單元的應力-應變關系。

5 結束語

出于對船舶安全性的考慮，要對船舶與海洋工程結構極限強度進行進一步的分析。運用逐步破壞法分析船舶在擱淺時的損傷，并對極限強度進行解析預報，從而加強對船體結構的設計。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕