船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究

黎中正

【摘 要】在船舶的結(jié)構(gòu)開發(fā)、生產(chǎn)以及應(yīng)用的過程當(dāng)中，工作人員為了能夠?qū)⑵浞€(wěn)定性和安全性提升上去，都必須對(duì)船舶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，而伴隨著如今海洋工程行業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)于船舶的生產(chǎn)也提出了更高的要求。為了全面的保障海洋工程的安全性，應(yīng)該使用進(jìn)強(qiáng)度比較高的建設(shè)材料，而這也是保證質(zhì)量的有效依據(jù)。本文就對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限其強(qiáng)度進(jìn)行分析，供參考。

【關(guān)鍵詞】船舶；海洋工程結(jié)構(gòu)；極限強(qiáng)度

在實(shí)際的施工過程當(dāng)中，必須考慮到船舶的安全性和強(qiáng)度，假如在運(yùn)行的時(shí)候，船舶出現(xiàn)了擱淺現(xiàn)象，若船舶沒有較好的強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致船舶沒有辦法承受巨大的沖擊或撞擊而出現(xiàn)故障，因此，為了徹底解決這一問題，就必須對(duì)船舶和海洋工程的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行精確的計(jì)算。

一、海洋工程結(jié)構(gòu)極限的具體狀態(tài)

船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)有一個(gè)比較明顯的表示方式就是，總體結(jié)構(gòu)遭到破壞和崩潰，而這和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，也和其承載能力有著很大的聯(lián)系，一般情況下，成本的外殼中包含了飛機(jī)的機(jī)身，和潛艇的外表，其荷載一般都存在于薄膜之上，對(duì)于這樣的結(jié)構(gòu)框架，其極限荷載一般都可以直接用對(duì)應(yīng)的公式去計(jì)算出來，也可以進(jìn)行大致的估算。但是，因?yàn)榇昂秃Ｑ蠊こ痰慕Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，有很多的零件和小部件，這些都是實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程結(jié)得以運(yùn)行的重要組成部分。這些部件都承擔(dān)著非常大的彎矩，再加上在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)受到很多外力的干擾，有的部件難免會(huì)受到損傷，這樣一來，就使得部件的強(qiáng)度受到了影響。但是，因?yàn)檫@樣的損傷并不是在一瞬間就造成的，需要一定的時(shí)間，其斜率也不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)降到零，所以，船舶和海洋工程結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一些部件還是可以繼續(xù)承擔(dān)受力。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，損傷程度也會(huì)漸漸增加，其斜率也會(huì)上升，當(dāng)達(dá)到?jīng)]有辦法承擔(dān)的量時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)坍塌。這個(gè)時(shí)候，把船舶和海洋工程當(dāng)中部件的幾何和非線性材料所生產(chǎn)的影響考慮進(jìn)去的話，就可以使用到對(duì)應(yīng)的荷載量上，增強(qiáng)原本的荷載量，再把原先就存在的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化，并同時(shí)將部件的損傷情況具體考慮進(jìn)去，工作人員就可以得到一個(gè)較為完整且具體的極限強(qiáng)度數(shù)值。

二、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的逐步破壞法

（一）分段模型的建立

在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度的計(jì)算上，我國(guó)有關(guān)部門使用最多的就是逐步破壞法，而建立分段模型是首先要做的，一般，在對(duì)模型進(jìn)行研究的時(shí)候，一次只可以對(duì)一個(gè)分段模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，而當(dāng)分段模型出現(xiàn)崩潰的時(shí)候，一次也只可以對(duì)一個(gè)分段模型的崩潰情況進(jìn)行研究。在對(duì)詳細(xì)的分段模型進(jìn)行選擇的過程當(dāng)中，工作人員要注意的是，要保證所選中的分段模型處于不正常的狀態(tài)下，因?yàn)橹挥羞@樣，才能夠在短時(shí)間內(nèi)判斷出該分段出現(xiàn)損壞的具體位置。在對(duì)船舶模型建立的時(shí)候，因?yàn)槠涫怯山菃卧图咏畎鍐卧獦?gòu)成的，在每一個(gè)單元和單元之間又包含了很多個(gè)小的構(gòu)成部件，而這也意味著整個(gè)模型構(gòu)建過程是比較復(fù)雜且繁瑣的，工作人員必須擁有非常足夠的經(jīng)驗(yàn)，才可以完成其模型構(gòu)建任務(wù)。一般情況下，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臅r(shí)候，第一個(gè)出現(xiàn)癱瘓的部位就是加筋板單元，在對(duì)對(duì)應(yīng)的分段模型全部建立完成之后，這些分段模型大約是在強(qiáng)制面壓縮的情況下得以運(yùn)算的，而在這種情況下，工作人員才能夠準(zhǔn)備的計(jì)算出加筋板單元的非線性最大強(qiáng)度。

（二）分段的基本設(shè)定

在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)分段模型的設(shè)計(jì)上，不管是使用任何一種方法，其彎矩斜率都會(huì)有所影響，而在使用任何一種方法的時(shí)候都必須和彎矩斜率有所聯(lián)系，當(dāng)外部的斜率增強(qiáng)的時(shí)候，單元模塊也會(huì)受到影響，其也會(huì)隨著橫斷面的深入而發(fā)生變化，本文提出了四種分段的基本設(shè)定，具體如下：第一，是對(duì)平斷面的設(shè)定，如果說船舶的橫斷面有斜率變化，那么能夠確定的是，橫斷面的變化會(huì)跟隨深度的方向而改變，其線性分布也會(huì)發(fā)生變化；第二，假如船舶的橫斷面有所損傷，而這些損傷主要是出現(xiàn)子在兩個(gè)框架之間的，那么也就意味著這兩個(gè)框架之間的隔板可能產(chǎn)生了壓縮現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)救；第三，當(dāng)船舶整個(gè)不具有穩(wěn)定性的時(shí)候，其局限性會(huì)比框架之間的崩潰應(yīng)力大；第四，船舶增強(qiáng)筋的傾斜力也應(yīng)該比崩潰應(yīng)力大。

（三）破壞法的計(jì)算流程

在逐步破壞法的計(jì)算上，主要可以分成兩個(gè)流程，即休斯法與有限元法，首先，休斯法就是指的通過對(duì)公式的計(jì)算，以及對(duì)船舶加筋板單元的研究，發(fā)生其中存在的實(shí)際應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系之后，再對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)中的所有部件實(shí)際狀況進(jìn)行計(jì)算，得出造成故障出現(xiàn)的主要原因。工作人員需要把模型劃分成為大部分的加筋板單元和角單元，這樣有助于工作人員得到準(zhǔn)確的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。然后，工作人員要選擇一個(gè)損傷比較明顯的加筋板單元，并對(duì)所有的單元應(yīng)變能力進(jìn)行計(jì)算，在對(duì)船舶斷面力平衡方程創(chuàng)立之后，工作人員就能夠更為明確的將所有的單元應(yīng)變能力計(jì)算出來。隨后，工作人員需要進(jìn)行疊加計(jì)算，因?yàn)榀B加計(jì)算能夠增強(qiáng)彎矩計(jì)算的精準(zhǔn)度，在經(jīng)過完整的計(jì)算之后，工作人員可以和之前的總彎矩?cái)?shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而得到最后的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度值。其次，有限元法主要是對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的，在船舶的加筋板單元產(chǎn)生任何的損傷之后，就會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的變形或者是較大的撓度，其應(yīng)力以及應(yīng)變關(guān)系等都會(huì)將其非線性關(guān)系的復(fù)雜性表現(xiàn)出來，而船舶材料的非線性等對(duì)于加筋板單元非線性而言有著比較嚴(yán)重的影響。正常情況下，在所構(gòu)建出來的模型加筋板單元當(dāng)中，其外表和取向都會(huì)產(chǎn)生巨大的變化，從而使得模型中的加筋板剛度會(huì)出現(xiàn)一定的改變。不僅如此，船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)建設(shè)過程當(dāng)中，最為關(guān)鍵且主要的環(huán)節(jié)就是材料的使用，通常都是使用的金屬材料，但是，因?yàn)榻饘俦緛砭陀兄苄缘奶卣骱蛢?yōu)點(diǎn)，這能夠給船舶的結(jié)構(gòu)、外表構(gòu)造帶來比較大的好處，比如，金屬的塑造性使得船舶在受到?jīng)_擊或者撞擊的時(shí)候都不容易變形。工作人員在進(jìn)行計(jì)算之后，需要將一部分的非線性特征加入到非線性研究范疇之內(nèi)，從而對(duì)一些比較復(fù)雜的非線性對(duì)象進(jìn)行合理且科學(xué)的研究。在對(duì)非線性進(jìn)行研究的時(shí)候，最常用到的方法有牛頓-拉普森法、弧長(zhǎng)法等等，對(duì)于這些非線性框架的研究上，必須要對(duì)近似線性方法進(jìn)行合理的實(shí)施才可以對(duì)其進(jìn)行完整的處理，在我國(guó)實(shí)際的研究過程當(dāng)中，最常見也最常用的處理方法就是牛頓—拉普森方法，在經(jīng)過改善之后，也出現(xiàn)了牛頓迭代方法。而在研究的時(shí)候，使用進(jìn)牛頓一拉普森方法可以對(duì)船舶與海洋工程的荷載與斜率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)的斜率比較大時(shí)，還可以進(jìn)行一定的收斂。工作人員也應(yīng)用進(jìn)了牛頓迭代方法，這種方法也有著一定的作用，能夠在實(shí)踐中提供比較好的途徑。

三、結(jié)束語(yǔ)

在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究上，工作人員需要建構(gòu)出完整的分段模型，并對(duì)分段模型進(jìn)行有針對(duì)性的研究與分析，這有助于工作人員對(duì)具體的故障、損傷部位進(jìn)行判斷，并精確定位，可以應(yīng)用進(jìn)逐步破壞這一方法來對(duì)模型的極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。在逐步破壞法之中又包含了即休斯法和有限元法，利用這一方法，來有效的促進(jìn)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，并漸漸促進(jìn)其行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

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