基于船舶与海洋工程结构极限强度的研究
时间：2020-12-15 04:01:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]船舶在结构研发、生产以及运用的大量环节里面，为了确保它能够具备比较好的安全系数与时间更多的运用，需要对船舶的结构强实施准确无误的评价。伴随造船领域与钢铁领域科学不断发展，船舶的生产更多的运用了强度比较高的材料，在很大程度上增强了结构自身的平稳性。本文对其进行了具体的研究。
[关键词]船舶；海洋工程；极限强度
中图分类号：U66-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）09-0178-01
引言
在船舶研发的环节里面针对船舶自身结构的安全性能的评价需要做到安全的充分，考虑到船舶发生搁浅的时候船舶的极限强度，对于船舶能够所承受的撞击给出方便在研发过程中所运用的解析计算预报程序。
一、结构极限的具体状态
船舶和海洋工程总体框架的极限状态表现最突出的案例就是总体结构的破坏，结构崩溃其实就是总体刚度与承载性能的缺失。在船舶和海洋工程结构里面，大量的部件需要承担非常大的弯矩，伴随外力的逐渐增加，一些部件或许会因为屈服或者是屈曲出现损伤，如此接连不断的损伤就会导致总体弹性弯曲刚度的降低。但是，这个斜率不会在一瞬间减到零，由于剖面里面的部分组件也能够继续承受外来载荷，涵盖损伤组件转接过去的压力与损伤组件需要承受的压力。伴随损伤的逐渐增加，它的曲率在很短的时间内有较多的提升，最后就会出现崩溃，将部件的几何与材料非线性所产生的影响完全的考虑进去。经过运用部分的载荷增量，将已有的结构模型进行改善，并且考虑到组件的损伤状况，就能够获得结构具体的极限强度值。
二、极限强度的设计准则
满足CSR规范要求的船舶，其船体梁极限强度的设计准则为：
γSMS+γWMW≤Mu/γR
式中：MS—进水弯矩；MW—波浪弯矩；Mu—船体梁极限弯矩；γS—进水弯矩安全因子系数；γW—波浪弯矩安全因子系数；γR—安全因子系数。分项安全因子如表1所示。
三、船舶与海洋工程结构梁极限强度逐步破坏计算方法
船舶与海洋工程结构抵抗纵向弯曲的能力即为船舶与海洋工程结构总纵强度，它是船舶与海洋工程结构结构具有的最基本的强度。随着对船舶与海洋工程结构破坏机理不断深入的研究和认识，总纵强度的概念已经有了很大的变化和发展，船舶与海洋工程结构梁的极限弯矩定义为弯矩曲率曲线的极值。经过近几十年来对船舶与海洋工程结构结构整体力学行为和极限强度的理论与实验研究，取得了许多研究成果，发展了多种计算船舶与海洋工程结构总纵极限强度的数学模型，其中较具代表性的是逐步破坏分析方法。
3.1 计算流程
在逐步破坏分析方法中，船舶与海洋工程结构梁的极限弯矩定义为弯矩曲率曲线的极值，弯矩曲率曲线通过增量迭代方法得到。目前已有的各种逐步破坏分析方法，包括结构共同规范中的增量迭代方法，其基本原理和计算流程基本相似，结构共同规范给出了一个基于增量迭代法的船舶与海洋工程结构梁极限强度计算流程。
（1）将船舶与海洋工程结构梁横剖面离散成结构单元，即纵向加筋板格（每个单元一根纵骨），硬角单元及横向加筋板格导出所有单元的应力应变曲线（又称载荷端缩曲线）。
（2）導出期望的最大要求曲率。
（3）每一计算步的曲率增量。
（4）对增量步，计算由曲率引起的船舶与海洋工程结构梁上的弯矩。作用在船舶与海洋工程结构梁上的曲率对应船舶与海洋工程结构梁横剖面绕其中和轴的转动，这引起剖面上第个纵向构件单元的轴向应变ε。在中垂状态下，中和轴以下的构件受拉，而中和轴以上的构件受压。
（5）对船舶与海洋工程结构梁横剖面上的第个结构单元，由轴向应变εκ引起的轴向应力σ从单元的应力应变曲线得到，该曲线考虑了构件在弹塑性阶段的非线性行为，对各单元，对应于应变的应力应取各种适用于该单元的应力应变曲线中的最小值。计算结构单元上的反力。
（6）各单元上的力由其截面积乘以其应力得到，这些力相加得到整个船舶与海洋工程结构梁剖面上的总轴向力Σσ。应注意单元面积为其总净面积。由于构件的非线性引起中和轴的移动，船舶与海洋工程结构梁横剖面上的总轴向力可能不为零。因此需要调整中和轴的位置，重新计算单元的应变、应力以及剖面上的总轴向力，并反复叠代至总轴向力为零。注意单元受压时σ为正而单元受拉时为负，当中和轴的变化小于时即认为已达到平衡。
（7）一旦确定新中和轴的位置，结构单元的应力分布就可以得到。将各单元对弯矩的贡献相加即得到由曲率引起的剖面弯矩Σσ。
（8）按Δ增加曲率，用当前中和轴作为下一步计算的初始值并重复步骤到，直至达到最大要求曲率。极限强度为κ曲线的极值。如该曲线的极值没有出现则增加最终曲率至极值出现为止。
3.2 结构单元
船舶与海洋工程结构梁剖面极限强度的计算针对两个相邻横框架之间的剖面进行，船舶与海洋工程结构梁剖面在各曲率下保持平面，钢材的材料特性认为是弹性—理想塑性，船舶与海洋工程结构梁剖面可以被划分为一系列加筋板单元和硬角单元，这些单元之间无相互作用。
硬角单元通常包括两板相交区域的板、折角区域的板（折角应不小于度）、组成圆弧形舷缘的板。单元的结构刚度往往比较大，其失效模式多为强度失效。硬角单元的建模及尺寸应遵循）对于纵向加筋的板格，硬角单元自连接处向外延伸纵骨间距的距离，）对于横向加筋板格，硬角单元自连接处向外延伸倍板厚距离。
加筋板单元通常包括纵骨及其带板、横向加筋板。对于横向加筋板，其应力应变曲线对应的宽度应取为板的全宽，即自连接处到连接处，而不是自硬角至硬角。面积取为连接处之间的面积。受拉加筋板单元的失效模式为强度失效，受压加筋板单元的主要失效模式为屈曲（梁柱屈曲、扭转屈曲、腹板局部屈曲、板格局部屈曲）。
3.3 加筋板极限强度
船舶与海洋工程结构板架纵向受压时，相邻横向骨架之间的加筋板在压缩载荷作用下往往是加强筋之间的平板首先发生局部屈曲产生弯曲应力，然后在中面力和弯矩的联合作用下塑性区逐渐扩展，平板刚度下降，最后由于平板塑性屈服或加强筋扭转屈曲导致加筋板整体垮塌。
（1）加强筋之间的平板局部屈曲，当加强筋相对较强时，加强筋之间的平板首先发生局部屈曲，在加强筋和平板交界处形成塑性区；
（2）加强筋侧倾扭转屈曲，当加强筋的扭转刚度较小或带板屈曲后对加强筋的约束下降时，易发生加强筋扭转屈曲；
（3）加强筋腹板屈曲，当加筋板腹板的高厚比较大或带板屈曲后对加强筋的约束下降时，易发生加强筋腹板屈曲；
（4）加强筋与带板一起发生类似梁柱整体失稳破坏，当加强筋和平板的刚度相差不大时，加强筋和平板一起发生梁柱屈曲；
四、结束语
船体极限强度运算方式的分析也已经发展成为了船舶结构强度运算与研发里面的重点所在。然而当前船舶极限强度的运算与评价基本上当成的是研究的主要目标，急需增加研究的力度，将极限强度的运算与研究运用到船体结构的研发里面去。
參考文献
[1] 李帅朝.基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究[J].科技展望，2016，（31）：303.
