关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨

关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨

苟洪顺

中石化石油工程设计有限公司 山东省东营市  257026

摘要：船舶与海洋工程结构极限强度计算对分析船舶结构和海洋工程结构有着重要的意义，伴随着运输行业的不断发展，海上运输已经成为了三大主力运输费方式，因为船舶多为钢结构，所以有极限强度限制，超出极限强度之后会增加船舶危险性，导致船体出现破坏，易造成安全事故。因此需要针对船舶与海洋工程极限结构强度进行模型计算，通过确定薄弱位置，进而针对性的加强控制，提高整体船舶强度和稳定性，保证运输安全。

关键词：船舶与海洋工程；结构极限；极限强度

前言

船舶与海洋工程结构复杂，其结构极限强度的计算非常关键，其极限状态是一种非线性的变化过程，因此依靠模型计算能够较为准确的定位极限强度下可能破坏的位置，并针对具体方位进行加强设计，保证弥补弱点，强化船舶和海洋结构的完整性[1]。

1.船舶与海洋工程结构极限状态

  所谓的结构极限强度状态实际是一个临界值，通过这一状态区分结构舒适度，一旦超过这一范畴，可基本判定此时的船舶和海洋结构处于危险和被破坏的状态之中。船舶与海洋工程结构的变化与船舶本身的承载力、强度等要素息息相关，任何力或者数据的变化都会影响到船舶结构强度，而当这一改变集中且行进一定程度之后，就会影响到船舶与海洋工程的正常运转，也就是出现了所谓的极限强度，影响到了正常的航行。内外力因素都有可能成为影响部件运行，改变结构强度的原因。

2.船舶与海洋工程结构极限强度计算

由于船舶与海洋工程结构非常复杂，所以通常需要针对船舶可能存在的问题展开船体模型统一计算，以保证数据的统一性和真实性。计算过程中需要工作人员收集有关问题部分的所有数据，目前比较常使用的计算方法有有限元计算和逐步破坏计算，有限元计算比较简单，但较为被动，是针对模型某件的屈曲、塑性变形数据进行控制，进而对问题单元站来准确计算的方式，这一计算模式的弊端在于必须要针对不同单元开展全面数据调查，需要保证计算的精度，因此耗费的成本很大，中间的计算过程负担较重，计算模式比较被动[2]。逐步破坏法是一种比较主动且过程方便，运算量较少的计算方式，它对极限强度的计算把握较大，因此计算结果比较准确。通常需计算船舶结构载荷并对有限单元进行对应计算，船舶结构载荷可通过增量法进行计算，而有限单元内的对应计算则使用无限分割增量进行计算。

3. 船舶与海洋工程结构极限强度具体计算程序

3.1模型构建

本研究引入了基本破坏法作为结构极限强度的主要计算方法。首先先完成分段模型的构建，根据船舶和海洋工程本体数据的分类和指向，将船体的完整模型分类为几个大项，进行分段模型的构建。这样做的目的是按照分段内容采集数据资料，保证模型数据的准确性和计算精度，也能够最大程度上规避不良问题的干扰。其次基本破坏法从破坏程序入手，针对不同问题进行针对性 模型构建，整体船舶模型的运用并不具体，对最终成果的获得并无益处。而分段模型恰恰能够从基本破坏法的应用入手，针对不同问题给出不同方向和数据的模型，这对获得最终极限强度数据有很大的帮助。

3.2分段假定

分段模型进行分段假定，为探求船舶与海洋工程的极限结构强度，分段执行逐步破坏法，假定不同的破坏因素，并针对出现问题的原因进行探索。例如针对船舶的框架版，可能出现压缩或者现象，框架版的压缩会导致船舶断面失去稳定，最终导致断面崩溃[3]。因此针对可能导致船舶框架板压缩的问题进行原因分析，从现实情况出发，直到找出基本符合当前情境且数据结果核准有效的一种假定，将其列入有效模型进行控制。其他各个单元的模型选择皆如此，都需要先发现问题，后从问题入手探知可能存在的隐患，并通过对这些隐患问题数据的进一步捕捉和溯源，得到准确可行的结构极限强度数据。

3.3计算流程

使用逐步破坏法需要根据诉求开展破坏流程，这样过程中比较常用的有休斯法和有限元法，这两种计算方法的优势在于计算精度高，对数据的把握大。劣势在于计算方法复杂，需要有对应数据的辅助才能执行。

休斯法针对加筋板单元的应力和应变关系进行计算与分析，通过对构建的垂情况和中拱情况进行对应计算分析，得出相应结果，计算结构变形的总纵极限弯矩。计算过程先是将船体的完整模型根据要求离散成不同的加筋板单元和角单元，逐一对模型进行计算，确定船体离散单元应力和应变关系，再选取船体梁再第一个加筋板破坏处诞生的初始曲率，计算船体模型整体单元内的应变量。总弯矩的获取需要重复以上的程序，通过不断平衡判断不同单元的应变数据以及中和轴位置，来叠加得出最终的总弯矩。

有限元法是针对角单元和加筋板单元进行挠度和变形分析的一种方法，同样采取分段调查法，根据要求将统一的船体模型离散成为不同的模型小组，针对其中几个有限对象进行对应计算。比如对影响加筋板单元形状变化强度的问题，则对应计算其极限强度，明确在何种极限强度下，加筋板会发生形状的改变并出现明显的损坏情况。有限元法会持续对某个结构进行应力大小及构建关系的分析，确定在何种强度之下，加筋板单元会出现形状的变化，又是在何种变化之下，会破坏加筋板。不同单元针对不同对象实施持续增量，观察增量状态下优先原件的破坏及先后破坏关系，这样能够对先出现损坏的原件进行增强，更有针对性。一般有限元法计算需要提供图纸结构模型支持及甲板处具体结构模型支持，以此作为基础数据资料予以应用，这样一来，即便是在单元模型运算过程中，一样能够顺着基础数据溯源，得到问题的最根本解，对结构极限强度的计算精准有所保障。

结束语

    对船舶与海洋工程来说，结构极限强度至关重要，不仅影响到了船舶的设计安全，还会影响船舶的使用安全和稳定性。而选择合适的计算方法保证最终强度数据计算准确性，是关键问题，只有强调数据准确，才能真的发现结构问题，并对应给予解决。

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,2021,29(2):11-12.

[2] 李鑫. 基于船舶与海洋工程的船体结构设计思路[J]. 科技创新导报,2021,18(2):9-11.

[3] 刘俊阳. 船舶与海洋工程结构极限强度分析[J]. 船舶物资与市场,2021,29(5):23-24.