浅析船舶与海洋工程结构极限强度
时间：2020-12-18 12:04:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]随着航运的发展，船舶数量较过去相比也有大幅度的增加，海上事故的频频发生使得人们提高了对船舶结构强度的重视程度。船舶结构强度不足可能引发搁浅等一系列的事故，严重威胁了船舶工作人员的生命财产安全。结构极限强度作为船舶设计的关键一环，计算要求极其复杂，本文将对此展开探讨和研究。
[关键词]船舶；结构极限强度
中图分类号：S213 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0133-01
一、引言
近些年来，船舶在海上行驶过程中状况频出，通过研究发现，主要是由于船舶搁浅所造成的事故，通过分析船舶搁浅的原因可以发现，主要是由于结构极限强度不足所导致的，为了加强船舶海上行驶的安全性，保障人们的生命财产安全，必须加强对结构极限强度的关注和重视。结构极限強度是在设计环节敲定的，在船舶和海洋工程结构设计中，结构极限强度是设计环节的最后一步，同样也是设计要求最为复杂的一步，为了简化计算难度，提高计算精度通常使用建立模型的方式来辅助计算。在实际的计算中，对船舶进行分析计算的方式存在一定的局限性，传统的计算方法在数值上存在着一定的偏差，精度的偏差导致实际设计出的船舶安全性和稳定性无法得到保障，本文将对此展开讨论，探讨进行结构极限强度计算环节所应注重的问题，如何才能够在保证计算成本的前提下，开展合理的结构极限强度计算并为相关研究提供一定的发展建议。
二、结构极限强度计算方法
结构极限强度计算是船舶设计中最为复杂的过程，对于精度和准确性的要求也十分之高，为了方便设计提高计算的准确度，通常使用对船体模型有限元分析的方式得到具体的数据内容，进而得到准确的计算结果。这种计算方法的工程量十分庞大，计算过程复杂，在实际的运用中借助船舶模型使得计算成本较高，不适合推广使用。“逐步破坏法”属于当前较为常用的计算方法，同上述方法相比，这种方法在计算精度上得到了提升，计算量也大幅度减少，适合推广使用，根据船舶破坏的原理从而推导出船舶的实际受力规律，进而得出了船舶的结构极限强度。逐步破坏法的优点在于简化了计算过程，将船体模型分析转为建立崩溃模式，通过双向崩溃的形式简化计算过程，进行船体分析；限制相关尺寸，保证横向刚架的纵向崩溃。基于上述两点，逐步破坏法将模型计算方法简化同时能够确保计算精度的提升，减少最终的计算量节约计算成本。
三、极限强度的分析计算
随着船体结构理论的发展，相关的计算方法和理念层出不穷，总纵极限强度计算方法主要有逐步分析法、直接计算法和有限元法。
逐步分析法。通过对船体结构破坏进行分析可以发现，船体结构破坏并不是整体破坏，实质上是逐步破坏的过程。逐步破坏的破坏程度不是均匀增加的，根据平断面假设可以看出而是需要按照曲率法进行计算得出，仔细研究逐步破坏的规律破坏过程实质上是屈曲和屈服的过程，为了计算结果的准确，屈曲效应也被列为破坏范围之一。Smith发现逐步分析法是由单元平均应力和应变之间的关系得来的，也就是说计算得出二者关系更加准确，所得到的极限强度精度也就越高。
直接计算法。直接对船舶的结构极限强度进行计算，得到的结果往往并不准确同真实结果相比，在数值上一般过高，之所以会出现这样的状况，原因在于没有考虑到截面应力的重分配。Caldwell是最早进行直接计算的人，在他的理论中结构极限强度可以根据横剖面的全塑性弯矩得到。
有限元法。此计算方法适用于各类结构模型。在有限元法的计算模式中通过单元结构的计算分析能够对平板、梁还有异向板进行处理，同时分析不同结构的极限状态。有限元法的最大优点就是通过对单元分析来得到整体分析的概况，充分考虑了结构的受力类型，包括扭矩、弯矩和剪力。Kutt采用有限元法对结构极限强度进行分析，通过对不同类型模型分析极限强度考虑运用屈曲、塑性效应等。
四、船舶搁浅结构损伤分析
（一）船底肋板和扶强材的变形损伤
根据结构极限强度的计算方式可以推断出，船舶纵向构件是影响极限强度的关键，这就为设计人员在进行船舶设计时提供了设计思路，注重考虑结构变形所导致的能量损耗，忽略肋板的损伤变形，这样一来可以减轻设计人员的计算负担，提升计算的精确度，由于肋板承受的压力可以忽略不计，研究人员在进行船舶结构分析时往往可以着重分析纵桁，避免重复分析所造成的计算结果偏大。
（二）船舶外底板和纵骨的变形损伤
船舶和礁石发生碰撞导致搁浅事故发生，纵骨在受到礁石的冲击时结构状态也随之发生了改变，由于变成了完全塑性状态导致在搁浅碰撞过程中极限强度无法发挥作用，在采用逐步破坏法的计算过程中，进而可以忽略纵骨所提供的支撑作用，纵骨失效带来的影响不仅仅于此，由于结构状态改变使得在极限强度中破损单元由正常状态下的多单元转为单一的横向板。
（三）船底纵桁和加强筋的变形损伤
船底纵桁和底板在船舶结构中起到支撑作用，保证了船舶结构的完好，搁浅事故发生时船舶的纵桁由于受到挤压，自身结构遭到破坏无法继续起到对船体结构的支撑作用。针对这种状况，按照逐步破坏法的计算方式专家学者可以根据船舶的破损情况来推断纵桁的变形程度，了解船舶结构中的薄弱环节，有助于帮助研究人员对船舶结构进行合理的评估。
（四）载荷响应预报和极限强度解析预报
船舶的实际载荷是其结构强度的计算基础，也就是说载荷计算越精确，极限强度精度也越高。其中载荷又被分为总体载荷和局部载荷，在极限强度分析的过程中要注重分析总体载荷，这是因为总体载荷实质上是指海水压力，在船舶实际的行驶过程中，波浪带来的巨大冲击都属于载荷的一种，因此在结构极限强度的计算中，总体载荷十分重要。
对结构极限强度进行分析，首先要对船体进行分析，通过有限元法将船体分为多个单元进行分别计算，再从中得到各个单元之间应力和应变之间的联系。
五、结语
随着航运的发展，船舶技术在近些年也得到了提升，其安全性和稳定性也越来越重要，出于对船舶安全性的考虑，必须加强对船舶结构极限强度的分析和计算。借助于逐步破坏法通过对船舶搁浅时的破坏程度来分析船舶整体结构，可以减少结构极限强度的计算量，为船舶结构的设计提供更加准确的方案。
参考文献
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[2]李明.船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].工程技术：文摘版：00238-00238.
[3]黄明智.船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].工程技术：文摘版：00079-00079.
[4]李恒，郎元荣.船舶与海洋工程结构极限强度分析[J].科技资讯，2015， 13（7）：68-68.
作者简介：
宫亚男（1988-），籍贯：辽宁省葫芦岛市，当前职务：科员，当前职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向：船舶与海洋工程。
