船体破损后外载荷与船体极限弯矩

船体破损后外载荷与船体极限弯矩

陈剑

江苏新扬子造船有限公司 , 江苏 靖江 214532

摘要：船体结构极限承载能力是反映船舶结构安全可靠性的重要指标，历来受到船舶工程界的广泛关注。然而，由于船舶类型多样性、船体结构复杂性，必须考虑许多影响因素，使得船体极限强度计算这一力学问题变得复杂。经多年研究，对求得理论上更加成熟、使用上较为简便、具有较高精度的船体极限强度分析方法和计算程序仍在继续。

关键词：船舶船体，船体极限弯矩，破损

1船体极限强度的问题

当考虑船舶强度时，一直以来常规的做法是考虑三种强度：即纵向强度、横向强度和局部强度。在这三种强度中，纵向强度，即船体梁总纵强度，在保证船舶结构安全性上是最重要的强度。

传统上，船体总纵强度是通过比较许用应力和在名义垂向波浪合成弯矩作用下甲板或船底距中和轴最远点的弹性应力来进行评估的。这种方法虽然对一般船型有效，但是不能给出船体强度的真确的估计，当然在应用于非一般船型时的结果则更不能令人满意。长期以来，在船体总纵强度计算中采用的是经典线弹性理论。目前在大多数船级社规范中，主要还是采用基于线弹性理论的始曲弯矩来表征船舶在总纵弯曲上的承载能力。随着船体破坏机理的深入研究，总纵强度概念有了很大变化。早在1950年代未VastaI就提出了“极限承载能力”概念。经过近50年研究，进一步揭示了在研究船体总纵强度时，必须考虑构件屈服、屈曲等各种可能的破环形式，考虑受压构件屈曲及崩溃后的非线性性能影响，并考虑组成船体的多个构件发生破坏的渐进性和相互作用，以及因此而引起的应力分布变化等。

近年来，基于结构极限强度的极限状态设计法在结构工程领域中得到了快速发展。在船舶工程中，用基于极限承载能力(总纵极限弯矩)的设计方法来取代传统的基于线弹性应力水平(始曲弯矩)的设计方法也成为一种趋势。在采用可靠性理论的设计方法中，船体结构安全余量的定义是船舶极限承载能力与船舶所承受的最大弯矩之间的差值。目前船体极限强度计算方法的研究已成为船舶结构强度计算和设计方法研究中的一个热点。可以说直到几年前，船舶极限强度的计算和评估主要是作为研究目的，而现在已开始为世界海事组织和大多数主要船级社作为一项要求而提出。

另一方面，船舶在营运中可能发生搁浅、碰撞等海难事故。为避免船舶在海难后造成更大损失，如沉船事故；或对环境造成更大污染，这就需要对破损船舶剩余强度充分了解并进行评估，以便准确地采取相应的技术措施来实施救援和拖航。对破损船舶剩余强度的计算方法和评估，近年来才开始有一些工作，还不是十分完善。

2破损船体剩余强度的研究现状

船舶在航运过程中面临着碰撞和搁浅等事故的危险。根据统计资料，在船舶各种灾难事故中，约有1／3的船舶是由于碰撞和搁浅而造成的，而这些船舶约占损失总吨位的2／3。在船舶发生碰撞和搁浅事故以后，船体的总体强度和局部强度受到了很大削弱，因此在救援、拖航中，可能因为船体剩余强度不够而发生进一步的破坏。1995年某一超大型油轮发生搁浅事故后，虽然又被成功浮起，但终因为船体剩余强度不够而在拖航中沉没。因此为了进行救援和防止海洋污染，船体应保持足够水平的剩余强度。由于船体破损属于非常状态，因此应以船体剩余强度来评估其安全性。

近年来已有了一些对船碰撞和搁浅后剩余强度计算的研究工作。利用他们估算完整船体极限强度的解析公式，对一条散货船进行了碰撞和搁浅后剩余强度的评估。对他们的解析公式作了一些局部改进，并对一条油船作了碰撞和搁浅后剩余强度的评估。但以上的研究工作都只在正浮状态下计算破损船体的剩余强度。然而船体破损后，其剩余有效剖面一般是非对称的，在外载荷作用下船体的弯曲已不再位于原船体的垂向对称平面内；而且当发生破舱进水或液体外流时，船舶还可能发生较大程度的倾斜，甚至倒浮。解析公式并没有考虑这些因素的影响。考虑了破损船体的非对称弯曲，对一条散货船进行了碰撞和搁浅后剩余强度的评估，但计算中破损船体的应力分布仍然采用的正浮状态下的分靠形式。需要指出的是，当破损崩体在倾斜状态下发生弯曲时，其剖面应力分稚仍采用沿垂向简单线性关系已不合适，所以直接法计算破损船体的剩余强度可能存在问题。

3破损后浮态和载荷分析

船舶破损前后船舶浮态及破损舱段的货物容量的差异，导致破损后船舶的外载荷分布与破损前相比有很大的差别，每一种破损状态对应一种受力情况和结构强度。船体受损后达到新的平衡位置，这是一个复杂的过程，不仅有纵倾，还有横倾，这就要求首先建立一个破损的船体模型来计算破损后的船舶浮态。

3.1损伤对结构能力与载荷的影响

腐蚀与磨损损伤主要表现为结构的几何尺寸变化，从而降低了结构的承载能力，严重的腐蚀可能造成局部结构的严重破坏进而影响总体结构。中剖面模数由于腐蚀而减少会对总纵强度产生影响，尤其是处于服役中后期而没有经过维修的舰船，中剖面模数将会减少到较危险的程度。对点蚀等局部腐蚀损伤由于出现范围有限，在总强度研究中不予考虑。

破损损伤使船舶的壳板产生破口，破口附近的区域材料己进入屈服，大大减少了承载面积，如发生在危险剖面，会显著影响总强度。对双壳船体，破损的严重程度还影响了载荷分布情况，Okamoto在研究新型双壳船体结构的破损剩余强度时，考虑了两种破损情况，一是双层壳板全部破损，局部内壳板不承受横向载荷，但破损进水舱室的舱壁作用水压力；二是仅外层壳板破损，局部内壳板承受横向载荷。如果舱室大量进水，还会对船舶的浮态产生影响，进而船舶的重力载荷与波浪载荷的分布也会发生较大的变化。

3.2破损模型

本论文的破损模型是按照中华人民共和国海事局《船舶与海上设施法定检验规则》(国际航行海船法定检验技术规则)(下文以《技术规则》简称之)来确定的。由假设船舶破损位置和破口的大小确定船舶破损舱室的位置和种类，运用浮力损失法或增加重量法来确定不同情况破损后船舶的最终浮态。

3.3确定破损船舶浮力曲线

破损船舶和未破损船舶的外载荷分布有着显著的差异。未破损船舶没有浮力损失，而破损船舶由于淹水或进水造成浮力损失，破坏了船舶结构原有的受力状态。且淹水越多，浮力损失就会越严重，结构受力状况更趋恶化，削弱了船舶的承载强度，给船舶带来严重危害。船舶结构受力状态取决于浮态及其相应的浮力曲线变化，浮力曲线不同，受力情况就不同。所以确定破损船舶的浮态参数是破损船舶外载荷计算的关键。破损后船舶的浮态采用损失浮力法确定，然后浮力曲线 b(x)用符拉索夫方法计算。

4结语

在舰船科学中，拓宽破损船舶领域的研究很有现实意义，因为破损对任何在役船舶都是难免的。在诸多的破损因素中，包含了结构强度不足的因素。但是迄今为止，关于船体破损后结构承载能力及破口的研究，国外公布的文献很少，国内尚未见过报导，舰船规范对此也未提出任何要求。为了增强舰船抵抗能力，有必要开展这方面的研究，预报破损给舰船结构强度带来的危害，以便改进设计。

参考文献

[1]王晟. 多模式破损后剩余强度反分析研究[D].哈尔滨工程大学,2006.

[2]张国栋,李朝晖.船体破损后外载荷与船体极限弯矩[J].中国造船,1997(03):28-33.

作者：陈剑，性别：男，出生年月：1986.10，民族：汉，籍贯：江苏省，学历：研究生，职称：工程师，研究方向：船舶船体详细设计。