船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

趙恒

【摘? 要】針對船舶與海洋工程中船體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度分析來看，需要結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的優(yōu)化是非常重要的，特別是在對船舶擱淺情況進(jìn)行分析時(shí)，可以有效地應(yīng)用極限強(qiáng)度理論來展開船體荷載預(yù)警，進(jìn)而提高船舶海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性和穩(wěn)定性。本文對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析進(jìn)行了探討。

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

由于船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)是一種復(fù)雜的非線性變化過程，通過采用簡化后的逐步破壞法，使得船體模型的加筋板在最薄弱處破壞，繼而依次引起其他加筋板的破壞，最后船體整體結(jié)構(gòu)不再增加承載力，達(dá)到極限強(qiáng)度。

1 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算方法

1.1逐步破壞分析法

在對船體結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)理進(jìn)行有效分析以后發(fā)現(xiàn)，船體結(jié)構(gòu)的整體破壞在實(shí)際上就是被逐漸破壞的過程。在平斷面假設(shè)以及構(gòu)建逐步破壞增量曲率法的基礎(chǔ)上，得出在對屈曲和屈服引起的加筋板逐步破壞進(jìn)行描述的時(shí)候可以通過橫剖面纖維的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行，然后在考慮范圍中納入后屈曲效應(yīng)。Smith 在對單元彈塑性大撓度分析的時(shí)候可以通過非線性有限元進(jìn)行，從而得知單元平均應(yīng)力- 平均應(yīng)變之間的關(guān)系。該計(jì)算方法的精度直接受單元平均應(yīng)力- 平均應(yīng)變之間關(guān)系決定。

1.2直接計(jì)算法

Caldwell 估算船體總縱極限強(qiáng)度的時(shí)候根據(jù)船體橫剖面的全塑性彎矩進(jìn)行，對結(jié)構(gòu)屈曲造成的影響通過受壓構(gòu)件承載能力的折減進(jìn)行解釋。這種方式在對結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候沒有對筋板單元增加所產(chǎn)生的承受壓應(yīng)力比極限強(qiáng)度大而重新對載荷縮短行為以及截面應(yīng)力進(jìn)行分布的因素進(jìn)行考慮，因此，使用該計(jì)算方法所估算出來的船體結(jié)構(gòu)總縱極限強(qiáng)度值通常較高。

1.3有限元法

任何一種加載類型以及結(jié)構(gòu)模型對有限元法都比較適用。將梁單元、平板單元、正交各向異性板單元引入，不僅可以對結(jié)構(gòu)靜態(tài)載荷作用下以及動(dòng)態(tài)載荷作用下的極限狀態(tài)進(jìn)行分析，還可以將單個(gè)結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析，并且在考慮范圍中納入船體在扭矩、剪力、彎矩共同作用下的響應(yīng)。Kutt 對四條船體利用該計(jì)算方法對各個(gè)載荷狀態(tài)、不同有限元模型縱向極限強(qiáng)度進(jìn)行了分析，同時(shí)在分析的過程中對塑性效應(yīng)、屈曲效應(yīng)、后屈曲效應(yīng)進(jìn)行了充分考慮。

2 船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析

2.1結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法

在船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算和分析是要求最高也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在實(shí)際中，通常利用對船體模型進(jìn)行有限元分析的方法測量船體模型的構(gòu)件屈曲和塑形變形等數(shù)據(jù)，從而得出比較精確的船體模型極限強(qiáng)度。然而，這種方法在實(shí)際運(yùn)用中工作量很大，且成本很高，因此，推廣程度不高。當(dāng)前，一種叫作逐步破壞法的計(jì)算方法則較為常用。一是將用于結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算與分析的船體模塊向橫向崩潰和縱向崩潰這兩種獨(dú)立的總崩潰模式轉(zhuǎn)化;二是通過限制相關(guān)尺寸，確保相鄰的兩個(gè)橫向剛架縱向崩潰。逐步破壞法能夠讓船舶與海洋工程的船體模型橫向剛架的臨界分段在中垂或中拱過程中崩潰，將結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算向船體某一分段極限縱強(qiáng)度計(jì)算簡化，不僅能確保計(jì)算結(jié)果的精確性，還能大大減少計(jì)算工作量。三是建立分段模型。逐步破壞法的應(yīng)用，并非是隨意應(yīng)用的方法，而是有著精密的體系和系統(tǒng)的要求。首先，我們要根據(jù)船舶與海洋工程的各項(xiàng)已知數(shù)據(jù)，針對船體模型進(jìn)行分析。每次分析，只能對某個(gè)分段崩潰情況下琛。所以需要選擇船體模型分段的過程當(dāng)中，要保證其選擇分段性，不可在不利情況進(jìn)行。除此之外，船體模型的建立和分析當(dāng)中，應(yīng)對每一個(gè)分段的組成進(jìn)行了解，包括角單元、加筋板單元等等，分析各個(gè)構(gòu)件的主要作用，從而對加筋板單元的非線性大撓度進(jìn)行分析、計(jì)算，最終獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2雙向拉伸載荷下的含裂紋缺陷板剩余極限強(qiáng)度分析

船舶結(jié)構(gòu)的不同對含裂紋缺陷板剩余極限強(qiáng)度存在著不同的影響。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)是焊接結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)今的加工工藝尚不完善，因而使得這一結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在種種天然缺陷。同時(shí)，在船舶使用期限內(nèi)的較大交變應(yīng)力的作用下，也會(huì)使船舶結(jié)構(gòu)中的肘板、扶強(qiáng)材趾端及流水孔等部件不可避免地出現(xiàn)程度不同的裂紋損傷，且微觀裂紋會(huì)隨時(shí)間累積逐漸擴(kuò)大成宏觀裂紋。而在出現(xiàn)裂紋的情況下，影響船舶結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度的關(guān)鍵在于裂紋特征（包括裂紋長度、角度等）、材質(zhì)特點(diǎn)（屈服強(qiáng)度、可拉伸范圍、彈性模量以及泊松比）、結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)模（長寬比例、板厚度）以及邊界加載環(huán)境等一系列因素。在交變載荷作用下，微觀裂紋將最終擴(kuò)展為宏觀裂紋，這使得裂紋的相關(guān)參數(shù)具有明顯的隨機(jī)性，這也正是結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度的重要衡量依據(jù)。而船體的板架結(jié)構(gòu)中的加筋板格往往會(huì)受到面內(nèi)載荷（主要指軸向載荷、邊界剪切應(yīng)力及面內(nèi)軸向彎曲應(yīng)力）和邊側(cè)載荷（水壓力或貨物負(fù)載會(huì)直接引起這種載荷出現(xiàn)）的雙重作用。無論是純粹的理論研究，還是全船結(jié)構(gòu)的有限元分析，都共同指出對于縱骨架型結(jié)構(gòu)的船舶來說，其加筋板承載的縱向面內(nèi)載荷與邊側(cè)負(fù)載要超過橫向面內(nèi)載荷及邊側(cè)負(fù)載，而橫骨架型結(jié)構(gòu)的船舶則恰恰相反。船體板架結(jié)構(gòu)含有裂紋損傷時(shí)，通?？v向拉壓應(yīng)力應(yīng)處于核心地位。

2.3船舶擱淺結(jié)構(gòu)損傷分析

一是船底肋板和扶強(qiáng)材的變形損傷。按照極限強(qiáng)度解析計(jì)算方法的假定，可以發(fā)現(xiàn)船舶的縱向構(gòu)件決定了其極限強(qiáng)度，因此，不需要過多地考慮船舶底部肋板和肋板上的扶強(qiáng)材的損傷變形，只需要關(guān)注它們在變形過程中的能量耗散。肋板的變形分為中間和兩邊兩個(gè)部分。肋板中間部分受到礁石的直接作用而發(fā)生變形，兩邊部分也會(huì)受到波及而變形。船舶總的變形能可通過這兩部分變形能疊加得到，而肋板扶強(qiáng)材的變形能主要通過膜拉伸變形和塑性彎曲兩種形式耗散。二是船舶外底板和縱骨的變形損傷。在船舶發(fā)生擱淺事故時(shí)，外底板縱骨的高度一般比礁石的撞擊深度要小，在礁石的沖擊擠壓下，縱骨受到直接作用達(dá)到完全塑形狀態(tài)，因而在船舶的極限強(qiáng)度中不發(fā)揮作用。由于縱骨失效，在解析計(jì)算過程中受損的船底外板也由原來的若干個(gè)縱向加筋板單元轉(zhuǎn)化為一塊橫向板單元。三是船底縱桁和加強(qiáng)筋的變形損傷。船底縱桁垂向與內(nèi)外底板相連接并起到支撐作用。當(dāng)船舶發(fā)生擱淺事故時(shí)，船底縱桁受擠壓變形。通過實(shí)際撞深下縱桁的變形能和垂直壓縮距離等于雙層底高度時(shí)縱桁的最大變形能的比值來確定縱桁的損傷情況。

2.4載荷響應(yīng)預(yù)報(bào)和極限強(qiáng)度解析預(yù)報(bào)

在分析船舶結(jié)構(gòu)時(shí)，需要確定作用在船體上的載荷。因?yàn)檩d荷計(jì)算在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)分析的精度。通常，船體上的波浪載荷分為總體載荷和局部載荷，其中，總體載荷指的是局部海水動(dòng)壓力的合力。另外，波浪還會(huì)引起沖擊力、甲板上浪的水壓力以及艙內(nèi)液體晃蕩力等載荷?？偟膩碚f，分析波浪載荷對船體的極限強(qiáng)度計(jì)算有著很關(guān)鍵的作用。在船體極限強(qiáng)度解析預(yù)報(bào)中，首先要將船體的橫剖面劃分為若干個(gè)小單元，其中，縱向加筋板單元是由一塊板和一根縱向加強(qiáng)筋構(gòu)成，橫向加筋板單元一般情況下只有一塊板，硬角單元通常是由兩塊不共面的板構(gòu)成。將各個(gè)單元?jiǎng)澐趾靡院蟮贸龈鱾€(gè)單元的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系。

綜上所述，出于對船舶安全性的考慮，要對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。運(yùn)用逐步破壞法分析船舶在擱淺時(shí)的損傷，并對極限強(qiáng)度進(jìn)行解析預(yù)報(bào)，從而加強(qiáng)對船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王小燕.關(guān)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析[J].科技與創(chuàng)新.2016（09）

[2] 李帥朝.基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探究[J].科技展望.2016（31）

[3] 張季.關(guān)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探討[J].中國高新區(qū).2018（04）

[4] 李恒，郎元榮.船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析[J].科技資訊.2015（07）