船舶与海洋工程结构极限强度分析

【摘要】本文主要分析了船舶与海洋工程结构的极限强度，探讨了在船舶与海洋工程中，结构强度方面需要关注的要点，希望通过论述，可以为船舶与海洋工程相关人员研究结构强度提供参考。 

　　【关键词】船舶；海洋工程；结构；强度 

　　中图分类号：F407文献标识码： A 

　　一、前言 

　　目前，对船舶与海洋工程结构极限强度的研究还较少，小部分的研究也局限于研究一般性的结构强度，因此，分析船舶与海洋工程结构极限强度非常有必要，这是进一步了解其结构强度的必要工作。 

　　二、船体结构极限强度概述 

　　船舶与海洋工程结构物在其全寿命周期内可能遭受各种各样的载荷和变形，包括常规载荷、极限载荷或意外载荷。所以，在结构设计中应充分考虑这一因素，要更合理地考虑其安全性。 

　　传统的船舶设计是采用许用应力设计法(ASD法)，即在线弹性理论基础上，船体总纵强度是通过甲板(或船底处)的弹性应力与许用应力比较来进行评估，许用应力通常取为材料屈服强度的若干百分数。这种方法与名义垂向波浪弯矩一起使用时，对于常规船型具有一定的有效性。然而，并不能使人们获得清晰的船体强度的概念，更不能真实反映出船体结构的实际破坏的全过程。因此，ASD应用于非常规船型设汁是不能令人满意的。 

　　总纵弯曲下的船体损坏实质上是一个渐进的过程。当船体梁断面上某一个最弱的构件因屈服、屈曲或两者的某种组合发生损坏而不能有效承担载荷时，将使船体刚度减少，但由于其他构件仍可承载，包括失效构件转嫁来的载荷，因此船体梁仍能承载。基于船体结构极限强度所确立的“限制状态”设计方法，比线弹性设计方法增加了安全性和经济性。极限强度的影响参数研究对于估算船体结构的可靠性是必要的。对于像船体这样复杂的结构，在确定设计衡准和所期望的统计中，所需的大量经验数据不可能轻易地获得。一般而言，船体结构的极限强度可通过估算结构对下列四种破坏形式中任一种的抵抗能力来决定： 

　　1、屈曲或后屈曲失稳； 

　　2、由屈服引起的塑性破坏： 

　　3、过载下的脆性断裂； 

　　4、因应力脉动的反复作用而产生的疲劳断裂。 

　　三、船舶和海洋工程结构极限强度分析 

　　1、加筋板的极限强度分析 

　　船体板是船体结构的基本组成部分，研究船体结构的极限强度计算，首先得从板的极限强度计算分析开始。船体板及加筋板的极限强度研究方法从数学手段上看，可以分为解析法、半解析法和数值方法。从分析方法上可分为利用有效带板宽度概念的方法、利用试验数据回归的经验公式法和应用相关方程的方法。 

　　Paik等研究了弹性扭转约束边界条件下板的屈曲强度特征，并得到了支撑构件沿一边或四边弹性扭转约束条件下的屈曲强度的简单设计公式。Steen等推导了双轴向压应力和侧向压应力共同作用下板的屈曲和极限强度的简化方程。Paik等推导了在双轴向压应力、边缘剪应力和侧向压应力作用下，简支板的弹性屈曲方程，后来又将残余应力考虑到屈曲设计公式中去。Yao等研究了单轴向压应力作用下焊接残余应力和初始变形对板的屈曲和极限强度的影响。大多数船级社关于船体板的弹塑性屈曲强度的计算采用的是Johnson-Osten-feld公式，该公式是通过一种修正系数的方法把塑性屈曲强度用弹性屈曲强度来衡量。Paik和Fu-jikubo等通过建立在非线性有限元方法基础上的曲线拟合得到了新的塑性屈曲强度修正经验公式。 

　　2、船体板架极限强度分析 

　　船体板架是船体结构最主要的组成部分。对船体板架稳定性的计算分析，是船体结构极限强度分析的主要内容之一。早期对船体板架稳定性问题的计算分析，主要是基于经典的边界条件下进行，即假定船体板架边界是简单支持或刚性固定。但实际船体板架边界却是介于简单支持和刚性固定两种极端情况之间的弹性约束情况。船体板架结构的屈曲强度很大程度上依赖于板架边界上的约束。Svenneerud通过假定一依赖于横向骨架的固定程度的惯性矩来代替真实惯性矩的方法对约束加以考虑。有学者提出了一个考虑边界约束的分离梁解，同时还提出了计算板架边界弹性约束的方法。 

　　有限元法可以计算各种复杂和不规则的板架。这种方法考虑了各种实际存在的复杂因素。例如，支柱的任意方式布置，各种舱口形式，桁材断面的任意变化以及各种边界条件等等。船体板架的稳定性可以采用通用有限元软件进行计算。 

　　3、船体梁总纵极限强度分析 

　　自船体结构总纵极限强度的概念提出以来，船体梁总纵极限强度的分析方法得到迅速发展，出现了多种船体梁总纵极限强度分析的方法。但常用的船体梁极限强度分析方法可分为：直接计算法、逐步破坏分析法。 

　　（一）直接计算法 

　　Caldwell将船体总纵极限强度估算为船体横剖面的全塑性弯矩，通过对受压构件承载能力的折减以说明结构屈曲的影响。该方法没有考虑当加筋板单元承受的压应力超过其极限强度后的载荷缩短行为以及截面应力的重新分布，这往往过高地估算了船体结构总纵极限强度值。 

　　（二）逐步破坏分析法 

　　根据对船体结构破坏机理的分析，发现船体结构的整体破坏实际上是一个逐步破坏过程。1977年，基于平断面假设，构件逐步破坏的增量曲率法，提出因屈曲及屈服引起的加筋板逐步破坏可用横剖面纤维的应力-应变关系描述，并考虑了后屈曲效应。Smith采用非线性有限元对单元弹塑性大挠度分析来导出单元的平均应力-平均应变关系。Smith方法的计算结果的精度，很大程度上取决于单元的平均应力-平均应变关系的准确性。 

　　（三）有限元方法(FEM) 

　　有限元方法适用于任何加载类型和结构模型。该方法引入了梁单元、平板单元和正交各向异性板单元，能够对结构作静态与动态载荷作用下的极限状态分析，并能对单个结构作整体响应分析，同时考虑船体在弯矩、扭矩及剪力联合作用下的响应。Kutt等采用该方法对四条船体的纵向极限强度按各种载荷状态、不同的有限元模型进行了计算和分析，在每种分析中均记入了屈曲、后屈曲和塑性的效应。 

　　四、船舶在波浪中的载荷响应预报主要方法 

　　进行船舶结构分析时，首先要确定作用在船体上的载荷。结构分析的精度又很大程度地取决于载荷计算。因此，载荷问题是船舶结构研究中非常重要的一个问题。 

　　按照传统，作用在船体上的波浪载荷可分为总体载荷(波浪弯矩、扭矩和剪力)和局部载荷(作用在船体表面上的海水动压力)。事实上，总体载荷就是局部海水动压力的合力，可将海水动压力沿全船积分得到。波浪还引起冲击力、甲板上浪的水压力、舱内液体晃荡力(Sloshing pressure)等载荷。从船舶安全性角度考虑，波浪载荷对船舶的极限强度起重要的作用。 

　　由于船体形状的复杂性，波浪的不规则性，船舶和波浪遭遇的随机性等因素，波浪载荷计算是十分复杂的。人们十分重视应用谱分析法计算船体所受的波浪载荷，也就是说，把波浪对船体的作用视作对船体系统的输人，而船体受力和运动视作系统的输出。对于每一种输出过程，系统都有相应的传递函数(传递函数可以由试验得到，也可以由切片理论计算得到)，将传递函数与实际海况的波谱相结合，就可以得到船体受到的载荷谱，进而可以求得载荷的统计特征值，以及载荷的长期和短期预报值。人们常称这种方法为船舶在波浪中的载荷响应预报技术(Wave load Prediction Technology)。 

　　五、结束语 

　　总而言之，船舶与海洋工程结构极限强度的研究是具有一定的现实运用意义的，它可以为船舶与海洋工程结构的构造和使用提供参考，进而为船舶与海洋工程的建设提供借鉴。 

　　【参考文献】 

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　　[3]方闯,张文涛,黄震球,陈齐树.内河船舶极限总强度的试验研究[J].船舶工程,2012,01:29-32+2.