關(guān)于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的分析

王小燕

摘 要：在航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展下，船舶的數(shù)量隨之增多。海上發(fā)生的事故很多是因船舶擱淺造成的。當(dāng)船舶發(fā)生事故后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)受到影響，由此帶來嚴(yán)重的后果。目前，我國對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的研究還不夠，而結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度是船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)中最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：船舶；海洋工程；結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)損傷

中圖分類號：U661.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.09.083

船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算極其復(fù)雜，需要靠建立適當(dāng)?shù)拇w模型來實(shí)現(xiàn)。通常采用對船體模塊進(jìn)行有限元分析的方法來計(jì)算，但這種計(jì)算方法在實(shí)際運(yùn)用中存在一定的局限性。本文主要探討了在船舶與海洋工程中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面需要注意的問題，以進(jìn)一步分析極限強(qiáng)度，為海洋工程工作人員在這方面的研究提供幫助。

1 結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算方法

在船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)理性設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算和分析是要求最高也最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。在實(shí)際中，通常利用對船體模型進(jìn)行有限元分析的方法測量船體模型的構(gòu)件屈曲和塑形變形等數(shù)據(jù)，從而得出比較精確的船體模型極限強(qiáng)度。然而，這種方法在實(shí)際運(yùn)用中工作量很大，且成本很高，因此，推廣程度不高。當(dāng)前，一種叫作“逐步破壞法”的計(jì)算方法則較為常用。該方法不僅可以減少計(jì)算工作量，還可以提高極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的精確性。在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的計(jì)算上，逐步破壞法主要具有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)：①將用于結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算與分析的船體模塊向橫向崩潰和縱向崩潰這兩種獨(dú)立的總崩潰模式轉(zhuǎn)化；②通過限制相關(guān)尺寸，確保相鄰的兩個(gè)橫向剛架縱向崩潰。逐步破壞法能夠讓船舶與海洋工程的船體模型橫向剛架的臨界分段在中垂或中拱過程中崩潰，將結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度計(jì)算向船體某一分段極限縱強(qiáng)度計(jì)算簡化，不僅能確保計(jì)算結(jié)果的精確性，還能大大減少計(jì)算工作量。

2 極限強(qiáng)度的分析計(jì)算

在提出船體結(jié)構(gòu)總縱極限強(qiáng)度的概念之后，對船體梁總縱極限強(qiáng)度分析有了越來越多的方法，主要有逐步破壞分析法、直接計(jì)算法和有限元法。

2.1 逐步破壞分析法

通過分析船體結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的整體破壞實(shí)際上是一個(gè)逐步破壞的過程。基于平斷面假設(shè)，構(gòu)件逐步破壞的增量曲率法，總結(jié)出可以利用橫剖面纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系描述由屈曲和屈服引起的加筋板逐步破壞，并將后屈曲效應(yīng)納入考慮范圍。Smith通過非線性有限元對單元彈塑性大撓度分析來獲得單元平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系。這種方法的計(jì)算精度是由單元平均應(yīng)力-平均應(yīng)變關(guān)系的準(zhǔn)確性決定的。

2.2 直接計(jì)算法

Caldwell根據(jù)船體橫剖面的全塑性彎矩對船體總縱極限強(qiáng)度進(jìn)行了估算，利用受壓構(gòu)件承載能力的折減來解釋結(jié)構(gòu)屈曲的影響。這種方法沒有考慮當(dāng)加筋板單元承受的壓應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度后的載荷縮短行為和截面應(yīng)力的重新分布，因此對船體結(jié)構(gòu)總縱極限強(qiáng)度值的估算一般過高。

2.3 有限元法

有限元法對任何加載類型與結(jié)構(gòu)模型都適用。引入平板單元、梁單元以及正交各向異性板單元，不僅能夠分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下的極限狀態(tài)，還能夠?qū)蝹€(gè)結(jié)構(gòu)作整體響應(yīng)分析，并且將船體在扭矩、彎矩以及剪力聯(lián)合作用下的響應(yīng)納入考慮范圍。Kutt等利用這種方法計(jì)算和分析了4條船體按各種載荷狀態(tài)、不同的有限元模型的縱向極限強(qiáng)度，并在分析過程中考慮了屈曲、后屈曲及塑性效應(yīng)。

3 船舶擱淺結(jié)構(gòu)損傷分析

3.1 船底肋板和扶強(qiáng)材的變形損傷

按照極限強(qiáng)度解析計(jì)算方法的假定，可以發(fā)現(xiàn)船舶的縱向構(gòu)件決定了其極限強(qiáng)度，因此，不需要過多地考慮船舶底部肋板和肋板上的扶強(qiáng)材的損傷變形，只需要關(guān)注它們在變形過程中的能量耗散。肋板的變形分為中間和兩邊兩個(gè)部分。肋板中間部分受到礁石的直接作用而發(fā)生變形，兩邊部分也會(huì)受到波及而變形。船舶總的變形能可通過這兩部分變形能Efloor，central、Efloor，side疊加得到，而肋板扶強(qiáng)材的變形能Efs主要通過膜拉伸變形和塑性彎曲兩種形式耗散。

3.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

在船舶發(fā)生擱淺事故時(shí)，外底板縱骨的高度一般比礁石的撞擊深度要小，在礁石的沖擊擠壓下，縱骨受到直接作用達(dá)到完全塑形狀態(tài)，因而在船舶的極限強(qiáng)度中不發(fā)揮作用。由于縱骨失效，在解析計(jì)算過程中受損的船底外板也由原來的若干個(gè)縱向加筋板單元轉(zhuǎn)化為一塊橫向板單元。

3.3 船底縱桁和加強(qiáng)筋的變形損傷

船底縱桁垂向與內(nèi)外底板相連接并起到支撐作用。當(dāng)船舶發(fā)生擱淺事故時(shí)，船底縱桁受擠壓變形。通過“實(shí)際撞深下縱桁的變形能和垂直壓縮距離等于雙層底高度時(shí)縱桁的最大變形能的比值”來確定縱桁的損傷情況。

4 載荷響應(yīng)預(yù)報(bào)和極限強(qiáng)度解析預(yù)報(bào)

在分析船舶結(jié)構(gòu)時(shí)，需要確定作用在船體上的載荷。因?yàn)檩d荷計(jì)算在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)分析的精度。通常，船體上的波浪載荷分為總體載荷和局部載荷，其中，總體載荷指的是局部海水動(dòng)壓力的合力。另外，波浪還會(huì)引起沖擊力、甲板上浪的水壓力以及艙內(nèi)液體晃蕩力等載荷。總的來說，分析波浪載荷對船體的極限強(qiáng)度計(jì)算有著很關(guān)鍵的作用。

在船體極限強(qiáng)度解析預(yù)報(bào)中，首先要將船體的橫剖面劃分為若干個(gè)小單元，其中，縱向加筋板單元是由一塊板和一根縱向加強(qiáng)筋構(gòu)成，橫向加筋板單元一般情況下只有一塊板，硬角單元通常是由兩塊不共面的板構(gòu)成。將各個(gè)單元?jiǎng)澐趾靡院?，利用CSR規(guī)范公式得出各個(gè)單元的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

5 結(jié)束語

出于對船舶安全性的考慮，要對船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。運(yùn)用逐步破壞法分析船舶在擱淺時(shí)的損傷，并對極限強(qiáng)度進(jìn)行解析預(yù)報(bào)，從而加強(qiáng)對船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕