基于船舶與海洋工程結構極限強度的探究

房長帥 楊寧 田振興

摘 要：就通常狀況來說，船舶與海洋工程的結構極限強度的設計都是利用相關系統軟件進行分析規劃后得出的。但是由于國內社會的不斷進步，人們對船舶和海洋工程的需求逐漸變多，導致許多工程結構的極限強度不能符合實際標準，但若是一味堅持強度的規定，又會給國內的船舶修建事業的發展帶來阻礙，使其難以進步。因此，一定要按照船舶與海洋行業的未來發展趨勢來加強強度的設計。本文就船舶與海洋工程結構的極限強度展開探討，介紹了一些基礎概念和極限強度的計算方法，希望為我國船舶與海洋工程事業提供幫助。

關鍵詞：船舶 海洋工程 結構極限強度 探究

就國內當下的船舶與海洋工程結構的發展現狀而言，呈現出高速發展的趨勢，需要出海航行的船只數量越來越多，出現船舶擱淺的事故頻率也在不斷增加，一旦船舶出現擱淺事故，船體的底部縱向構成部件就有可能受到損壞，導致船體在縱向的總體強度和部分位置的強度都大大降低，給船舶的繼續航行帶來嚴重隱患。所以，在進行船舶與海洋工程的設計規劃時，一定要對總體的結構強度進行全面考慮，細致地考慮船舶的安全性能，面向船舶在擱淺狀況下的船舶結構承受強度的極限程度的方面進行解析和設計。

1.極限強度的計算分析方法

1.1逐步破壞分析法

當前國內在船舶與海洋工程項目上的數量呈現出高速增加的發展趨勢，而且從該工程領域每年創造的經濟收益和社會價值來看，其帶來的經濟效益不容小視。隨著科技的發展和技術的進步，通過預測和分析可以得知，國內船舶與海洋工程的未來發展趨勢將來還會不斷增長。不過若是只是在工程的數量上出現顯著增長，而相關的施工技術和管理方法不能隨之得到提高，那么勢必會造成船舶與海洋工程的建設過程中出現技術的脫節，導致工程出現嚴重的質量問題。逐步破壞法在實際的實施與應用過程中，能夠對船舶工程的自身特征進行準確分析，研究其結構極限強度的狀態，進而獲得精準的信息和數值，因此廣受青睞。

逐步破壞分析法的主要應用步驟如下：

（1）建立分段模型

使用逐步破壞分析法，不單單只是一種簡單的應用方法，其具有十分嚴格的精度要求和系統標準。在使用逐步崩潰破壞法進行計算之前，需要依據船舶與海洋工程現在已知的各種數據信息來對船舶的模型進行細致地研究。每次研究的范圍，必須控制在模型的單個分段之中。因此在對船舶模型進行分管規劃時，一定要注意保證分段的合理性。此外，在對船舶進行建模和分析的過程中，一定要從模型的分段的范圍出發，對其組成內容進行詳細調查和了解，組成內容主要涵蓋了加筋板單元和角單元這兩大單元，調查組成內容的目的在于準確把握分段中各個構建的主要功能。拋開客觀因素，選擇使用主觀的分析方法來展開分析，建立分段船體模型，可以把墻肢面內部的壓縮狀況作為基礎，以此實現對加筋板單元的分析運算等操作，并能夠得出精準的分析結果。

（2）分段基本假定

在使用逐步崩潰破壞計算法對船舶和海洋工程的結構極限強度進行分析計算時，其中分段假定這一工序是十分重要的，該步驟的主要目的是為了解下述假定：其一，假定船舶的斷面發生崩潰是導致船體的框架船板發生壓縮的關鍵原因，且不存在別的原因；其二，假定船舶框架之間的梁柱的崩潰應力就實際施工經驗可知，其是不可能高出加筋部位任何一側的臨界點力。這項條件的設定，主要是為了使工程施工能夠與實際狀況聯系起來，防止船舶與海洋工程的建設出現質量問題。

（3）具體計算步驟

分段完畢之后，各個分段的應力-應變關系則可以通過CSR這一公式求得，在計算時需要將受到壓力的縱向加筋板單元選擇為最容易失去效果的應力-應變關系。在獲得所有分段的應力-應變曲線關系圖之后，需要對其橫剖面的最初中和軸位置以及最初的曲率進行演算，假定曲率電網增量 Δχ與初始曲率 χ1相等，二者的計算公式如下面的式（1）和式（2）所示，而且最初的中和軸位置N1 應當使用系數 μ來對其進行調整。

上述式子中，li表示單元距中和軸的距離。分辨彎矩是否滿足當前要求的條件是：dM/dχ

1.2有限元法

有限元法具有廣泛的使用性，在任何類型的船舶結構模型中都能得到使用。在有限元法中加入正交多向異性板單元、梁單元和平板單元，可以對船舶的主體結構在動態和靜態兩種負荷條件下的極限強度進行分析，還可以對模型的單體結構進行整體響應分析，把船舶在進行彎矩、扭矩和剪力的結合作用下的反應作為考慮對象。Kutt等人通過使用該類方式對船舶依據荷載環境、有限元模型的縱向結構的極限強度進行總結和計算。

2.船舶擱淺結構損傷分析

2.1船底肋板和扶強材的變形損傷

根據船舶與海洋工程結構極限強度分析與計算方法的假設，可以得知船體整體的縱向結構與其極限強度密切相關，所以，對于船體底部的肋板以及位于肋板上面的扶強材出現的損壞和變形不需要進行太多考慮，只需要對肋板在變形的時候發生的能量消耗進行關注即可。船舶底部的肋板變形大致可以劃分為兩側和中間這兩部分。肋板兩側部分對由于船體底部受到礁石的碰撞的波及而導致變形，而中間部分則是直接受到礁石的作用力而產生變形。

2.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

當船舶出現了擱淺事故的時候，船舶的外底板的縱骨深度通常會小于礁石的對船底的撞擊深度，而且由于縱骨會受到礁石的擠壓和沖撞作用，直接達到整體塑形的狀態，所以在船體的結構極限強度中不能發揮出任何作用。因為縱骨的結構極限強度失效，所以在計算和分析的過程中對受到損害的船舶底部的外板也由之前的多個縱向加筋板單元變換成一塊橫向的加筋板單元。

3.結束語

總而言之，船舶和海洋工程的強度的優化處理尚且存在廣闊的進步空間。每項工程在正式施工的時候，都需要對其結構的極限承受強度進行合理規劃，并且將結構的極限強度作為關鍵的質量標準，使用專業、有效的方法對其展開分析，然后將分析的結果進行多次核實和校驗，待到確定其能夠與工程的客觀條件互相符合之后，再對其進行合理的改進和升級，從而促進國內的船舶和海洋工程事業的穩健發展。

參考文獻：

[1]石曉彥，錢鵬，嵇春艷.基于材料參數、構件尺寸及初始缺陷隨機特性的加筋板條極限強度研究[J].船舶工程，2015， （06）：68-72.

[2]張健，沈中祥，王自力，嵇春艷.腐蝕損傷對深海半潛式平臺結構極限強度的影響研究[J].船舶力學，2014， （11）：1283-1290.

[3]張婧，施興華，顧學康.具有初始缺陷的船體加筋板結構在復雜受力狀態下的極限強度研究[J].中國造船，2013， （1）：60-70.