淺析船體結構極限強度模型試驗技術

陳昊 陳念寧

摘 要：船體結構極限強度是船體結構安全檢驗中的重要參考指標，因此船體結構極限強度模型試驗技術在船舶工程行業中發揮著十分重要的作用，基于此，本文針對船體結構極限強度模型試驗技術的應用進行詳細的研究分析。在極限強度模型試驗相關原理的基礎上，從對甲板加筋板和箱型梁對不同模式下的船體結構極限強度模型試驗技模型設計進行分析，最終采用實際的船體結構極限強度模型試驗對極限強度模型進行驗證。

關鍵詞：方向性量綱分析法 穩定性相似模型補償法 極限強度模型試驗

1.引言

船體結構極限強度作為船體結構參數之一，在評價判斷船體結構安全穩定性的過程中發揮著十分重要的作用，現階段已經成為船體結構設計和強度評估工作中的參考指標之一，也是船體結構設計中必須要進行校對的內容之一。但是想要得到船體結構極限強度的準確數值存在一定的難度，因此結構模型試驗必須要穩定開展，以此保證數值結果的準確性和可靠性，必須要從模型設計理論出發，對模型進行優化。

2.船體結構極限強度模型設計研究

（1）方向性量綱分析法在極限強度中的應用

方向性量綱分析法在極限強度中的的應用起源于上世紀六十年代，這種分析方法，將船體的長度量綱劃分厚度、寬度、長度三種不同的量綱，并且借助這種分析法推導出基于極限強度的相似準則。具體的步驟如下：

第一，明確模型試驗中涉及到的物理量，分別為外力、內力以及材料特性，包括描述船體結構的物理量等，在不同物理量的基礎上，展開船體結構極限強度模型的研究。

第二，根據量綱分析法將相關物理量之間的關系，通過一般函數表達式表達出來，繼而推導出極限強度相似準則π定理，根據相似準則和定性準則，得到系統的相似準則如下：

其中字母P、M、A、L分別代表著選取力、力矩以及閉口區域板厚中心線所圍成的面積、線尺度。而字母σ、μ、δ則分別代表著各向正應力與剪應力、泊松比以及厚度。

（2）穩定性相似模型補償在極限強度中的應用

上文中提出來的方向性量綱分析法常用于指導船體模型的整體結構設計，比如船體剖面慣性矩設計，以及中和軸高度設計，但是想要對船體模型的局部結構進行設計，就會存在一定的誤差，從而導致船體在運行中發生危險，因此在方向性量綱分析法的基礎上，還要對局部穩定性進行修正，也就需要運用到穩定性相似模型補償法，這種方法可以分為兩個部分，一種為非線性起始量相似、一種為非線性終止量相似。按照相似準則進行推導后，分別得到公式如下：

其中第一個公式中運用到了與板格長寬比相關的待定系數、楊氏模量、板厚、泊松比、縱骨間距，而字母b表示模型的縱骨間距，字母β代表板的柔度，而λ代表計及帶板的柔度，在計算這兩者柔度中還需要運用到加筋板的及向應力和筋的慣性半徑。

3.不同模式下船體結構極限強度模型設計

（1）船艙段模型及甲板失效模式

假定船體的基本數據如下：

船體的型寬和型深分別為：20m和14m；甲板相關內容為：主甲板厚度14mm，而甲板上縱向加強筋、主甲板縱桁與橫梁使用的是14a球扁鋼以及T型材，其中14a球扁鋼相關參數包括：高度140mm、寬度33mm、厚度7mm、剖面積1405mm2，而T型材中的相關參數氛圍縱桁與橫梁，兩者參數數據相同，具體參數為：腹板尺寸12×400mm，面板尺寸16×200mm；最后，還要明確船體的典型橫梁間距，為2000mm。

通過以上參數計算橫梁的臨界剛度后，發現縱骨間距為0.302，在對相關參數進行匯總后，得到了表1中的主要參數數據。

（2）甲板加筋板壓縮試驗

在明確了船艙段模型及甲板失效模式后，可以選取甲板上的縱桁與橫梁之間的縱骨和面板進行甲板加筋板壓縮試驗，以此進一步驗證甲板加筋板結構的極限強度，保證上述得到的極限強度公式的準確性，也能夠為后期的箱型梁模型強度試驗奠定基礎，并且對船體的極限強度進行全面的預估。甲板加筋板壓縮試驗一共分為四個步驟。第一，選取出核心試驗區域；第二，對非核心區域試驗模型進行設計；第三，對配套工裝試驗設計；第四，甲板加筋板壓縮試驗的非線性有限元模型，下圖為甲板加筋板壓縮試驗中的核心區域尺寸。根據具體的計算后，得到了船體極限強度為MU=2.04×109N×m，非線性有限元計算結果為MU=2.39×109N×m，和實際的誤差約為17%。

（3）箱型梁模型強度試驗

通過對甲板加筋板壓縮試驗可知，雖然試驗船體結構和實際船體結構完全一致，也能夠有效反應出船體的破壞模式，但是和實際情況依然存在較大的誤差，無法完整地反映出船體的破壞過程，因此需要對箱型梁模型強度試驗更進一步進行判斷，以此降低誤差。通過對畸變箱型梁模型以及簡化箱型梁模型的極限強度試驗后，預報結果和有限元結果相同，基本上達到了較好的試驗結果，因此可知，通過以上兩種方法的綜合使用可以對船體的極限強度進行初步預報，得到的預報結果也較為準確，但是在進行具體的計算之前，還需要對材料真實應力以及應變關系進行試驗，從而進一步保證所得到的船體結構極限強度的準確性。

4.船體結構極限強度模型試驗

經過上文對一些典型代表性的極限強度模型進行試驗后，本文以某船艙段為具體研究對象，展開具體的船體結構極限強度模型試驗研究，以此對上文的分析進行詳細的驗證。分別進行了模型試驗、小水線面雙體船模試驗、高速三體船模試驗。首先對該船的基本參數進行簡單的了解，其中船板厚比Ct=4：1，幾何縮尺比CL=10：1，按照上述比例對試驗船體模型進行縮尺比設計，并且展開上述試驗，以此具體判斷船體結構極限強度。針對高速三體船模試驗進行詳細的分析，高速三體船模試驗采用的是三點彎曲的加載方式，通過這種方式來模擬船體在實際運行中產生的波浪彎矩峰值，通過該試驗可以具體判斷出高速三體船的極限承載能力以及三體船總縱極限強度，在此基礎上，結合非線性有限元數值的計算方式，可以準確預報船體實際總縱極限承載能力。在研究船體結構極限強度中模型試驗是最為直接的手段，將船體結構極限強度破壞的原因作為理論基礎，利用量綱分析法和方程分析法確定模型穩定性相似準則，根據上文試驗和仿真計算，發現了剪力對界面極限強度具有一定的影響，因此在實際應用的過程中還需要考慮到剪力的影響。

5.結束語

綜上所述，通過對船體結構極限強度模型試驗研究發現，試驗的重點不同，所采用的模型設計方案和試驗手段也各不相同，在實際應用的過程匯總還需要結合數值仿真以及相關理論，制定具體的研究方案。模型試驗是船體結構極限強度研究中的重要內容，合理開展模型試驗，才能夠得到準確的船體結構極限強度，通過不同的強度試驗，可以得到船體極限強度彎扭相關關系曲線。在此基礎上就可以展開進一步研究。

參考文獻：

[1]滑林，呂巖松，吳梵，等.腐蝕損傷下船體總縱極限強度可靠性分析方法探討[J].國防科技大學學報，2018，40（02）：156-160.

[2]吳衛國.船體結構極限強度模型試驗技術研究[C].中國造船工程學會船舶力學學術委員會.船舶力學編委會.中國船舶科學研究中心，2017：13.

[3]王偉.鋁合金船體結構的極限強度數值與試驗研究[D].哈爾濱工程大學，2017.