船舶与海洋工程结构极限强度分析

船舶与海洋工程结构极限强度分析

刘旭

青岛东方船研深海装备结构技术有限公司，山东 青岛 266520

摘要：在社会经济快速发展的背景下，我国的航运事业也如火如荼的展开。因此，为了进一步降低航运过程中的事故发生几率，就必须进一步提高船舶与海洋工程的结构极限强度，这样才能够确保我国航运事业的高质量发展，才能够保证船员的生命财产安全，避免带来严重的经济损失和恶劣的社会影响。结构极限强度是对船舶与海洋工程结构安全性评价的重要指标，本文将对此展开讨论和分析，探讨船舶与海洋工程结构极限强度分析的有效方式，以供参考。

关键词：船舶；海洋工程；结构；极限强度

目前，我国正在积极探索船舶与海洋工程结构及线强度分析的有效方式，为传播与海洋工程结构安全性的提升提供更多的理论支持，只有这样才能够进一步促进我国航运事业的健康稳定发展，为我国的经济提升奠定良好的基础。

1.船体结构极限强度分析

船舶与海洋工程结构在投入使用之后，可能在各种各样的内外环境下出现不同的变形或者载荷影响，比如极限载荷、常规载荷、意外载荷等等。因此在进行结构设计的过程中，必须对这些不同的因素和载荷进行方位的考虑，这样才能够进一步提高船舶与海洋工程结构的安全性。

在传统的船舶与海洋工程结构设计过程中，一般是通过许用应力设计法进行有效的设计。这种设计方法以在线弹性理论作为基础，同时在评估船体的总纵强度时是比较甲板上的弹性应力和许用应力的情况，其中许用应力一般是以材料屈服强度为基础的数个百分比作为参考。一般情况下，还会将名义垂向波浪弯矩与这种方法配合使用进行设计，能够保证一些常规的船舶结构有较高的安全性。但是，这种设计方式并不能让人们真正的了解船舶的具体强度，也不能帮助人们把握船体结构在破坏过程中的实际情况。因此，在一些非常规的船型设计时如果依然采用这种方式，无法顺利的实现设计目标。

在总纵弯曲的模式下，船体处于一种渐进的损坏状态。例如，如果因为屈服或屈曲等情况导致船体梁断面上某个较弱的构件出现损坏，那么这个构建就不能承担相应的船体载荷，就会使船体的刚度不断降低；但是在这种情况下，船体结构中的其他构件没有发生损坏，不仅能够持续承受相应的载荷，而且能够分担损坏构件传递过来的载荷，因此船体梁从整体上看依然能够承担相应的载荷[1]。因此，借助船体结构极限强度的相关理论，建立起限制状态的设计策略，不仅会比在线弹性设计方法具有更高的科学性，同时也能够进一步提高船体结构的安全性，还能够有效降低船体结构的建造成本。因此，对船舶与海洋工程结构进行有效的极限强度研究与分析，能够进一步提高对船体结构稳定性的有效评估。但是，由于船体结构相对比较复杂，因此在进行衡量和统计的过程中需要获取更加准确的海量数据。一般情况下，极限强度的研究分析一般是通过对船体在破坏过程的抵抗能力的估算来实现的，常见的破坏过程主要包括：屈曲或后屈曲失稳；过载引起的脆性断裂；屈曲造成的塑性破坏；应力脉动的反复作用带来的疲劳断裂。

2.船舶与海洋工程结构极限强度分析

2.1加筋板的极限强度分析

在船体结构中，船体板是最基本的构成部分，因此想要进行极限强度的分析，必须对船体板的极限强度先进行研究。目前，针对船体板和加筋板进行极限强度分析时，往往会采用半解析法、解析法和数值法等方式进行计算，同时配合试验数据回归经验公式、有效带板宽度概念法、相关方程模型等分析方式进行有效的研究。

Paik等人对加筋板的屈曲强度特征展开了研究，以弹性扭转约束边界为实验条件进行深入探索，得到了一个可以简单计算屈曲强度的公式，能够对四边或者一边处于弹性扭转约束条件下的支撑构件进行有效的强度分析。Steen对加筋板的极限强度和屈曲强度计算方程进行了研究和简化，将侧向压应力和双轴向压应力作为实验的基本条件[2]。Yao等人讨论了加筋板极限强度和屈曲强度的影响要素，分析初始变形、焊接残余应力在单轴向压应力的影响下对其产生的作用。目前，许多船级社在研究极限强度和屈曲强度时，往往会采用Johnson-Osten-feld公式作为计算基础，能够在修正系数的帮助下利用弹性屈曲强度的方式衡量塑性屈曲强度。另外，Paik和Fu-jikubo以非线性有限元法为基础，通过曲线拟合的方式对塑性屈曲强度的经验公式进行了优化和修正[3]。

2.2船体板架的极限强度分析

船体板架同样是构成传统的重要结构之一，因此对船体板架进行有效的极限强度分析，同样是船舶和海洋工程结构极限强度分析的重要内容。早期，在计算和分析船体板架的稳定性时，往往是以经典的边界条件作为基础，也就是假设通过刚性固定或者简单支持的方式对船体板架边界进行固定。但是，在实际建设的过程中，船体板架的边界并不是两种绝对的情况，而是处于两种情况之间的弹性约束状态。因此，船体板架在很大程度是由板架边界的约束情况来决定具体的屈曲强度。Svenneerud对此展开研究时将真实惯性矩进行模拟，用横向骨架固定下的惯性矩作为实验条件。在研究的过程中，一些学者认为可以用分离梁解的方式对边界进行约束，并对板架边界弹性约束的计算方法进行推陈出新。

在计算各种不规则和复杂的板架时，有限元法是极为有效的方式，能够对实际情况中的各种复杂因素进行全方位的考虑。比如，舱口的不同形状、支柱的布置位置、桁材断面出现的变化等等。

2.3船体梁总纵极限强度分析

目前，针对船体梁总纵极限强度的分析已经有了一定的经验和成果，并且提出了许多较为有效的分析计算方式，主要有以下几种。

（1）直接计算法

Caldwell在对船体梁总纵极限强度进行分析时，是通过船体横剖面结构模式下全塑性弯矩的分析来实现的，能够有效地计算受压构件承载能力的条件情况，从而对结构屈曲产生的变化和影响进行分析。但是这种方式并没有对加筋板的压应力极限进行充分的考虑，未曾将载荷缩短的情况计算进去，因此得出的结果往往会高于船体结构总纵极限强度的实际数值。

（2）逐步破坏分析法

由于船体结构的破坏是一个循序渐进的过程，因此立足于平断面假设理论，并结合增量曲率法对构建逐步破坏的情况进行分析，认为加筋板在屈曲或屈服作用下产生的变化可以通过横剖面纤维的应力-应变分析展示出来，同时也将后屈曲效应充分考虑了进去。

（3）有限元法

有限元法在不同的结构类型和加载类型中都能够得到较为准确的结果。这个方法将平板单元、梁单元和异性板单元有效地结合起来，不仅能够对静态下的极限强度进行分析，也能够对动态下的极限强度进行分析，并且还能够在整体的角度上对某个结构进行有效的响应分析，还可以对扭矩、弯矩和剪力作用下船体的结构响应进行分析。

结语：

综上所述，想要进一步提高我国航运事业的质量和效率，就必须促进船舶和海洋结构安全性和可靠性的有效提升。通过极限强度分析，能够对船舶和海洋结构的实际载荷情况进行有效的评估，从而为船舶与海洋工程结构的设计与建设提供有效的参考依据，进一步提高船舶与海洋工程结构的强度，促进船舶与海洋工程结构使用寿命的进一步提高，为我国航运事业的健康稳定发展奠定良好的基础，保证我国航运经济的不断提升。

参考文献：

[1]孙国芳.关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨[J].船舶物资与市场,2021(02):11-12.

[2]赵真,陈耀辉,楚光宇,李国杰.船舶与海洋工程钢结构极限强度分析研究[J].中国设备工程,2019(12):191-192.

[3]房长帅,杨宁,田振兴.基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究[J].珠江水运,2018(16):59-60.