超大型集裝箱船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究方法

肖聲浩，張會(huì)霞，趙 照

（江蘇海洋大學(xué) 馬卡洛夫海洋工程學(xué)院，江蘇連云港 222005）

0 引言

超大型集裝箱船（Ultra Large Container Ship,ULCS）是一種用于裝載國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的運(yùn)輸類船舶。近幾年來，國(guó)內(nèi)外集裝箱海運(yùn)貿(mào)易需求不斷增加，然而實(shí)際運(yùn)力短缺的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。我國(guó)越來越重視中大型集裝箱船的研發(fā)與運(yùn)用。隨著船舶自身重量的提升，對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求也要達(dá)到更高一層次的水平。相比較于一般的集裝箱船而言，超大型集裝箱船擁有較大的船身，更大的穩(wěn)定性要求和更多的高強(qiáng)度鋼的使用場(chǎng)景等特點(diǎn)。對(duì)于船體結(jié)構(gòu)的研究來說，船舶應(yīng)力集中和船體結(jié)構(gòu)剛度降低等問題也不可忽視。

船舶的崩壞不是立即崩壞的，而是有一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。其多數(shù)原因是在船舶某個(gè)斷面上的一個(gè)強(qiáng)度或剛度相對(duì)較弱的構(gòu)件在屈服或者屈曲的作用下失去有效承擔(dān)載荷的能力，致使船舶的剛度降低。在這個(gè)斷面上的其他構(gòu)件則必須承擔(dān)此失效構(gòu)件傳遞來的載荷，這時(shí)船舶依然可以正常使用。但由于腐蝕隨著越來越多的構(gòu)件發(fā)生破壞，使得船舶剛度進(jìn)一步降低，直到船舶變形驟增而發(fā)生船舶崩壞。因此，研究船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度對(duì)超大型集裝箱船非常必要。

本文主要對(duì)迭代增量法、理想結(jié)構(gòu)單元法和非線性有限元法等應(yīng)用較為廣泛的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究方法進(jìn)行介紹，并提出相關(guān)建議。

1.船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究方法

1.1 迭代增量法

迭代增量法是最常用的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度方法之一，又被稱為Smith法。該方法的核心是計(jì)算船體各構(gòu)件的極限強(qiáng)度，再經(jīng)過多次迭代計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出船體梁逐步崩壞的過程。事實(shí)上，迭代增量法就是一種船體的極限強(qiáng)度的簡(jiǎn)化算法，該方法的要點(diǎn)在于準(zhǔn)確劃分出相互的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，并確定其應(yīng)變-應(yīng)力曲線。

在使用迭代增量法時(shí)，首先要確定船舶中心軸的位置，計(jì)算因曲率改變引起的各結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)變，并計(jì)算各結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力，進(jìn)而繪制應(yīng)變-應(yīng)力曲線。其次，將應(yīng)力的影響和本身的載荷記為合力并假定平衡，重新計(jì)算出中心軸的位置，并對(duì)中心軸的位置進(jìn)行校核。最后，計(jì)算匯總每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的影響應(yīng)力貢獻(xiàn)，并計(jì)算在對(duì)應(yīng)曲率下的彎矩，作出彎矩-曲率曲線，船舶的極限強(qiáng)度將在彎矩-曲率曲線的極值處出現(xiàn)。若當(dāng)前的彎矩-曲率曲線尚未出現(xiàn)極值，則繼續(xù)對(duì)曲率進(jìn)行循環(huán)迭代，直至極值出現(xiàn)。彎矩-曲率曲線的極值即為極限彎矩。

劉旭東等[1]改進(jìn)了Smith法并且開發(fā)了基于HCSR規(guī)范的Smith法程序，研究了在2個(gè)彎矩同時(shí)作用下的船體極限強(qiáng)度并完成了評(píng)估。ZHANG等[2]使用Smith法研究了一艘小型集裝箱船的船體梁極限強(qiáng)度，并且分析了舷頂列板對(duì)船體極限承載力的影響。ANDRIC等[3]使用Smith法研究了內(nèi)河運(yùn)輸中型集裝箱船舶在扭矩作用下船體梁的失效形式，并作出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 非線性有限元法

自從20世紀(jì)中葉計(jì)算機(jī)的誕生和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的迅速發(fā)展，非線性有限元法（Finite Element Method,FEM）逐漸成為研究船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的較為重要的研究方法，已廣泛應(yīng)用于對(duì)船體的極限強(qiáng)度的分析研究。非線性有限元法通過引入梁?jiǎn)卧鍐卧雀鞣N結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合各種應(yīng)用中的非線性因素，建立起非線性有限元模型。在使用不同形式的合理的邊界條件，選取的結(jié)構(gòu)單元準(zhǔn)確時(shí)，非線性有限元法能夠很好地給出不同工況下該結(jié)構(gòu)較為貼合的極限強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

如今，各種有限元軟件得到普及與運(yùn)用，ANSYS、MARC、ABAQUS等軟件均能精確計(jì)算船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。雖然非線性有限元法的計(jì)算精度高于其他方法，但也存在一些不足之處，如當(dāng)所需計(jì)算的結(jié)構(gòu)過于大型化和復(fù)雜化時(shí)，計(jì)算時(shí)間會(huì)呈幾何級(jí)上漲的趨勢(shì)，耗時(shí)長(zhǎng)，出成果慢。

溫巍等[4]對(duì)船體梁等結(jié)構(gòu)在不同載荷下的極限強(qiáng)度問題進(jìn)行了研究，闡述了有限元分析計(jì)算的基本思路和主要步驟，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)艙門和艙壁進(jìn)行了的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。謝天[5]運(yùn)用Smith法描述船體結(jié)構(gòu)的崩壞模式，并提出了基于全壽命周期的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法。袁園[6]在Smith法的基礎(chǔ)上考慮缺陷的時(shí)變效應(yīng)，利用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算船體極限強(qiáng)度。王崇磊[7]對(duì)超大型集裝箱船聯(lián)合載荷作用下極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，結(jié)構(gòu)單元的劃分情況見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)單元的劃分

1.3 理想結(jié)構(gòu)單元法

理想結(jié)構(gòu)單元法（Idealized Structural Unit Method, ISUM）依舊采用有限元的思想，使用連續(xù)矩陣求解船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。相比于非線性有限元法，理想結(jié)構(gòu)單元法將非線性有限元法中的非線性元素全部理想化，然后包含于各結(jié)構(gòu)單元中，并且運(yùn)用較大的結(jié)構(gòu)單元來模擬現(xiàn)實(shí)船舶結(jié)構(gòu)，從而減少建模難度，大幅縮短計(jì)算時(shí)間。在研究大型船體結(jié)構(gòu)時(shí)，理想結(jié)構(gòu)單元法的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

馬中原[8]運(yùn)用理想結(jié)構(gòu)單元法對(duì)典型船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，得到了加筋板的典型崩壞模態(tài)，并計(jì)算了典型加筋板的極限強(qiáng)度，分析集裝箱船船體結(jié)構(gòu)在不同類型載荷作用下崩壞行為的差異。師桂杰[9]利用優(yōu)化設(shè)計(jì)出集裝箱船的船體極限強(qiáng)度相似模型，完成了集裝箱船總縱極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)，并運(yùn)用ISUM求解船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。

2 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的迫切需求，超大型集裝箱船的發(fā)展越來越得到重視，其中集裝箱船的安全性以及穩(wěn)定性尤為重要，研究船體的極限強(qiáng)度也就顯得尤為重要。本文主要?dú)w納和總結(jié)了迭代增量法、理想結(jié)構(gòu)單元法和非線性有限元法等應(yīng)用較為廣泛的船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究方法的基本思路和優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了未來超大型集裝箱船船體結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度研究方法的改進(jìn)建議。