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

王娜，王增岗

博迈科海洋工程股份有限公司 天津市 300452

摘要：基于航运业的迅猛发展，船舶数量随之不断增多，发生事故的概率大大增加，现阶段我国对于船舶与海洋工程结构极限强度的研究力度不够，其中极限强度作为制约船舶海洋工程进步的重要因素，需要相关工作人员对其进行深层次地探索。在船舶开发研制过程中，操作员应对其结构进行正确有效的评价，使用强度较高的建设材料，从而保证海洋工程的安全性。通过对船舶与海洋工程结构极限强度的计算方法展开探究，从而提升船舶与海洋工程结构的稳定性，提高船舶结构的极限强度，从而满足现代海洋工程项目在不同阶段的建设发展需求。

关键词：船舶；海洋工程；结构极限强度

在船舶与海洋工程的结构设计过程中，针对于船舶结构的极限强度设计是总体设计工作中的重要环节，此项设计对计算的精准程度要求较高，考虑因素相对较为复杂。在计算过程中通常以建模的方式为主，借助模拟过程以及有限元计算最终得出船体的实际结构强度，针对此种计算方法中的优缺点，在实际操作过程中应配合其他技术，对船舶结构进行近似结果的线性反应，以此对船舶船体的结构极限强度完成进一步的调整与优化。

1结构极限强度基础内容

科学上对极限强度的定义指的是船体结构可以承受的总船体刚度和承载力完全丧失的最大承载能力和水平。在船舶的营运中，必须尽可能避免外力到达极限状态，如果船舶在某种程度上受到损坏，则必须立即采取保护措施，采取紧急措施，以防止海上事故的发生。计算和分析结构的极限强度是设计船舶和海上工程结构的关键步骤。通常，有限元分析用于获得结构极限强度的一些基本元素。根据建筑船体模型屈曲和成形的数值（例如构造）以及某些原理和公式计算结构的极限强度。但是，该方法误差大，影响因素多，计算复杂，费时，因此利用率不是很高。当前，最常用的分析方法是“渐进破坏法”。具体方法流程如下所述，这种计算方法可让 更全面地显示计算和分析结构极限强度的过程。船体模型的计算是根据横向和纵向极限分析独立计算的。这种方法的计算方法比较简单，经过分步计算和分段分析后的综合计算，可以大大提高计算和分析的准确性。对结构限制进行状态分析。极限状态本身是一个较难预测和分析的过程，必须根据清晰的特性确定结构的极限状态，并以此为基础进行分析和计算。该状态主要是指整个系统的崩溃以及结构承重功能和整体刚度的完全丧失，对该状态的判断不是线性变化的过程，因此应采用渐进式破坏方法。根据整体破坏情况和结构构件刚度的变化逐步进行计算，以确保计算准确。

2结构极限强度计算方法概述

　　对船舶与海洋工程结构极限强度的计算与分析在整个结构理性设计中是要求最高也最为复杂的环节，尽管通过对船体模型的有限元分析计算方法能对船体模型的构件屈曲以及塑形变形等得到较为精确的测量结果，进而精确计算出船体模型的极限强度，但是这种方法在计算过程中工作量庞大，而且计算成本很高，不利于在实际应用中推广。而用于计算船舶与海洋工程结构极限强度的逐步破坏法则在大量简化计算工作量的同时也保证了极限强度的计算精度。

　　逐步破坏法作为传播与海洋工程结构极限强度的主流计算方法，很大程度上是缘于对以下两方面的计算工作量的简化。（1）将用于结构极限强度计算与分析的船体模块简化为横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式。（2）通过限制相关的尺寸保证相邻两个横向刚架发生纵向崩溃。

　　逐步破坏法使得船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或者中拱过程中崩溃，这就使得机构极限强度计算简化为船体某一分段的极限纵强度的计算，在保证计算结果精确度的同时大大减少了计算工作量。

3结构极限状态

随着船舶与海洋工程的开发设计不断深入，结构极限状态逐渐走进相关研究人员的视野，与此同时也收到船舶行业的重点关，其中“崩溃”是结构极限状态最为显著的特征。当船舶与海洋工程发生崩溃，结构会在一定程度上丧失或大或小的承载能力，一旦总体刚度受到较大程度地破坏，危险事故发生的概率将直线上升。就目前情况而言，我国船舶行业对于结构极限状态的研究工作进行时间较长，分析较为透彻，针对多方面都进行过一定研究。结构极限状态其本质是一种较为繁琐的非线性变化进程，根据多年的研究结果分析，其中部分壳体结构的极限强度大多可使用特征数值进行进行计算。若以船舶与海洋工程为基础，在结构极限状态的计算与分析过程中会出现诸多影响因素，最终获得的结果也将以多元化情况为表现。比如船舶与海洋工程在实际运用过程中，由于不断呈现的弯矩作用，整体结构会出现发声屈曲、屈服等情况，从而造成工程破坏等影响。基于此，结构极限状态在船舶与海洋工程中的重要性不言而喻，需要相关工作人员采取合理、可行的措施进行计算与分析，从而不断优化整体系统。

4船舶与海洋工程结构极限强度分析

4.1对复杂结构系统的可靠性分析

研究人员出于海洋和海洋工程结构系统的复杂性和多样性的考虑，使得对容器进行系统且完整的分析成为必不可少的环节。船舶和海上工程结构都是复杂的结构，因此存在多种失效路径和失效模式。当人们使用常规枚举方法进行搜索时，会导致一系列爆炸性问题的出现。因此，人们为了解决故障模式下的结构问题，就必须生成可靠的技术数据。一般情况下，当船舶负荷的随机变量的变异性大于船体本身的结构变量的变异性时，工作人员就可以使用导航系统的失效路径来确定船舶的结构。近年来，随着计算机技术的积极发展，科研人员将人工智能技术引入到搜索系统中，这从根本上提高了分析的可靠性和计算的效率。

4.2大型复杂结构的随机性分析

根据先前的分析模型， 可以得出具有一定概率的平均值。但是，分析的数据是不确定的，因为该方法不能有效地考虑各种随机变量。另外，结构分析中通常使用有限元方法，例如第一和第二矩有限元方法，响应面有限元方法以及点估计有限元方法。但是，由于有限元法使整体分析数据过大，这就会对分析结果产生一定的影响。而随机边界元法就可以很好的解决这个问题，并且通过使用边界元法，可以细化分析数据并大大减少计算量。

5结构极限强度计算方法

船舶与海洋工程结构的分析与计算相对复杂，其过程需经过层层实验，其是否具备合理性需考虑多方面因素。在具体分析与计算过程中，通常选择有限元进行船舶模型地测量，以此得出船体模型在实际运行中出现的塑性变形数据以及构建屈曲数据，从而算出船体模型的精准强度。现阶段使用的方法虽然具备一定可行性，与此同时涵盖一些问题，比如成本过高、工作量较大等，故没有全面推行此种办法。逐步破坏法作为现下较为常见的计算方法，在计算过程中运算量较小，在进行极限强度的运算过程中能够满足数据精准的要求，逐步破坏法在船舶与海洋工程极限强度计算过程中主要具有以下优势：准确分析与计算船体模型的横向崩溃与纵向崩溃总模式的转化，其次是通过限制部分数值，以此实现相邻刚架崩溃演示。此种分析计算方法使船舶海洋工程模型实现在中拱或中垂过程中崩溃，在简化计算难度的同时保障计算结果的精准度，其计算思路成本也相对较低。

6船舶与海洋工程结构极限强度

6.1结构极限强度计算方法

在船舶与海洋工程的结构理性设计中，结构极限强度的计算和分析是要求最高也最为复杂的环节。在实际中，通常利用对船体模型进行有限元分析的方法测量船体模型的构件屈曲和塑形变形等数据，从而得出比较精确的船体模型极限强度。然而，这种方法在实际运用中工作量很大，且成本很高，因此，推广程度不高。当前，一种叫作“逐步破坏法”的计算方法则较为常用。该方法不仅可以减少计算工作量，还可以提高极限强度计算结果的精确性。在船舶与海洋工程结构极限强度的计算上，逐步破坏法主要具有以下两方面的优点：①将用于结构极限强度计算与分析的船体模块向横向崩溃和纵向崩溃这两种独立的总崩溃模式转化；②通过限制相关尺寸，确保相邻的两个横向刚架纵向崩溃。逐步破坏法能够让船舶与海洋工程的船体模型横向刚架的临界分段在中垂或中拱过程中崩溃，将结构极限强度计算向船体某一分段极限纵强度计算简化，不仅能确保计算结果的精确性，还能大大减少计算工作量。

6.2极限强度分析方法

6.2.1逐步破坏

船舶与海洋工程在我国的数量，表现为逐年增加的趋势，且创造的经济效益和社会效益均是非常值得肯定的。随着时间的推移，我国未来的船舶与海洋工程，仍然表现为较强的增长趋势。但是，如果仅仅在数量上提升，相应的技术和手段跟不上，势必会影响船舶与海洋工程的寿命，对国内的发展而言，是极为不利的。逐步破坏法在应用中，可以结合船舶与海洋工程本身的特点，对结构极限状态展开分析，同时得到精确的数据与信息，值得推广应用。

6.2.1.1建立分段模型

逐步破坏法的应用，并非是随意应用的方法，而是有着精密的体系和系统的要求。首先，我们要根据船舶与海洋工程的各项已知数据，针对船体模型进行分析。每次分析，只能对某个分段崩溃情况下琛。所以需要选择船体模型分段的过程当中，要保证其选择分段性，不可在不利情况进行。除此之外，船体模型的建立和分析当中，应对每一个分段的组成进行了解，包括角单元、加筋板单元等等，分析各个构件的主要作用。从主观的角度来分析，分段模型的建立，能够将墙肢面内压缩的情况作为基础，从而对加筋板单元的非线性大挠度进行分析、计算，最终获得准确的结果。

6.2.1.2分段基本假定

船舶与海洋工程的结构极限状态，在应用逐步破坏法研究当中，分段假定的作用是非常重要的，主要是明确以下假设。第一，假设船体断面崩溃，造成框架板格发声压缩的主要原因，基本上不存在其他的原因。第二，假设框架间的梁－柱崩溃应力，客观上不可超出加筋的一侧的临界点力，并且不可超出总体船体结构不平衡的临界力。此条件的存在，主要是为了将现实情况融入，避免在船舶与海洋工程的施工当中，出现“豆腐渣”工程的情况。

6.2.2有限元

有限元法对任何加载类型与结构模型都适用。引入平板单元、梁单元以及正交各向异性板单元，不仅能够分析结构在静态和动态载荷作用下的极限状态，还能够对单个结构作整体响应分析，并且将船体在扭矩、弯矩以及剪力联合作用下的响应纳入考虑范围。利用这种方法计算和分析了4条船体按各种载荷状态、不同的有限元模型的纵向极限强度，并在分析过程中考虑了屈曲、后屈曲及塑性效应。

6.2.3直接计算

考德威尔利用船体横剖面全塑性弯矩对船体总纵极限强度进行了估算解释结构屈曲的影响。考德威尔的这种思路并没有将加筋板承受压应力考虑在内，没有想过在超出极限强度以后发生的截面应力、载荷缩短引起的压应力重新分布现象。所以这种方式最终结果通常都会超出船体真实极限强度。

6.3工程极限强度分析

6.3.1可靠性

因为船舶海洋工程本身就有着多变性、复杂性特点，因此为了保障船舶能够在海面上的稳定使用就必须认真的分析船舶结构中的所有细节。船舶海洋工程非常复杂，存在多种失效模式与失效途径。采取简单的枚举法搜索只会酿出大错，甚至可能会出现爆炸问题。此外失效模式条件下的结构问题需要依靠可靠、真实的数据。通常情况时在船舶载重变量变异条件下需要应用搜索系统确定结构。不过近些年的科技快速发展，使得计算机技术取代了这种方式。人工智能技术在搜索引擎中的引用全面提高了分析计算效率与分析可靠性。

6.3.2安全性

船舶载体并不统一，存在多变性特点。结合近些年的数据情况来看，近些年的船体工程结构与多年前的结构存在比较突出的变化。一些学者以结构余度展开分析，评测结构完整性与安全性。通过全方位的分析得出不确定性因素与安全需求，站在经济角度考虑完整性评估。除此之外船体结构分析还要结合船舶原有结构，从中得出船舶受损情况与海域条件。随后根据前面所得数据考虑运行条件、运行需求，以免再次发生类似问题。

6.3.3随机性

过去对船舶结构分析大多利用了确定概率计算平均值，这种方式无法完全将所有随机变量纳入其中，数据分析不确定性问题比较显著。当前最常用的计算方法就是有限元，有限元对船舶结构的分析效果非常显著。有限元实际包括很多种方式比如点估计、响应面、一阶二次矩等多种有限元算法。限元法会引起数据偏大的问题，该现象会影响到最终的分析结果。为解决该现象就必须使用随机边界。这种方法能够精细化分析数据，在减少计算量的同时保障计算精准度。

7结束语

综上所述,在对船舶与海洋工程结构极限强度进行研究时,相关研究人员应准确构建出相对完整的分段模型,与此同时对分段模型进行针对性的计算与分析,此过程有助于相关研究人员及时找出具体故障、精准判断损伤部分,从而准确定位,可以选择逐步破坏法分析计算模型的极限强度。针对船舶与海洋工程中的船体结构,在分析其极限强度时进行优化十分重要,分析船舶搁浅情况时运用极限强度理论展开船体荷载预警,从而有效提升船舶海洋工程结构设计的精准性。

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