基于船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的探究

房長(zhǎng)帥 楊寧 田振興

摘 要：就通常狀況來說，船舶與海洋工程的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的設(shè)計(jì)都是利用相關(guān)系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析規(guī)劃后得出的。但是由于國(guó)內(nèi)社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)船舶和海洋工程的需求逐漸變多，導(dǎo)致許多工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度不能符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，但若是一味堅(jiān)持強(qiáng)度的規(guī)定，又會(huì)給國(guó)內(nèi)的船舶修建事業(yè)的發(fā)展帶來阻礙，使其難以進(jìn)步。因此，一定要按照船舶與海洋行業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)來加強(qiáng)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。本文就船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度展開探討，介紹了一些基礎(chǔ)概念和極限強(qiáng)度的計(jì)算方法，希望為我國(guó)船舶與海洋工程事業(yè)提供幫助。

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

就國(guó)內(nèi)當(dāng)下的船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢(shì)，需要出海航行的船只數(shù)量越來越多，出現(xiàn)船舶擱淺的事故頻率也在不斷增加，一旦船舶出現(xiàn)擱淺事故，船體的底部縱向構(gòu)成部件就有可能受到損壞，導(dǎo)致船體在縱向的總體強(qiáng)度和部分位置的強(qiáng)度都大大降低，給船舶的繼續(xù)航行帶來嚴(yán)重隱患。所以，在進(jìn)行船舶與海洋工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，一定要對(duì)總體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行全面考慮，細(xì)致地考慮船舶的安全性能，面向船舶在擱淺狀況下的船舶結(jié)構(gòu)承受強(qiáng)度的極限程度的方面進(jìn)行解析和設(shè)計(jì)。

1.極限強(qiáng)度的計(jì)算分析方法

1.1逐步破壞分析法

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在船舶與海洋工程項(xiàng)目上的數(shù)量呈現(xiàn)出高速增加的發(fā)展趨勢(shì)，而且從該工程領(lǐng)域每年創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)價(jià)值來看，其帶來的經(jīng)濟(jì)效益不容小視。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，通過預(yù)測(cè)和分析可以得知，國(guó)內(nèi)船舶與海洋工程的未來發(fā)展趨勢(shì)將來還會(huì)不斷增長(zhǎng)。不過若是只是在工程的數(shù)量上出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，而相關(guān)的施工技術(shù)和管理方法不能隨之得到提高，那么勢(shì)必會(huì)造成船舶與海洋工程的建設(shè)過程中出現(xiàn)技術(shù)的脫節(jié)，導(dǎo)致工程出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題。逐步破壞法在實(shí)際的實(shí)施與應(yīng)用過程中，能夠?qū)Υ肮こ痰淖陨硖卣鬟M(jìn)行準(zhǔn)確分析，研究其結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的狀態(tài)，進(jìn)而獲得精準(zhǔn)的信息和數(shù)值，因此廣受青睞。

逐步破壞分析法的主要應(yīng)用步驟如下：

（1）建立分段模型

使用逐步破壞分析法，不單單只是一種簡(jiǎn)單的應(yīng)用方法，其具有十分嚴(yán)格的精度要求和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。在使用逐步崩潰破壞法進(jìn)行計(jì)算之前，需要依據(jù)船舶與海洋工程現(xiàn)在已知的各種數(shù)據(jù)信息來對(duì)船舶的模型進(jìn)行細(xì)致地研究。每次研究的范圍，必須控制在模型的單個(gè)分段之中。因此在對(duì)船舶模型進(jìn)行分管規(guī)劃時(shí)，一定要注意保證分段的合理性。此外，在對(duì)船舶進(jìn)行建模和分析的過程中，一定要從模型的分段的范圍出發(fā)，對(duì)其組成內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和了解，組成內(nèi)容主要涵蓋了加筋板單元和角單元這兩大單元，調(diào)查組成內(nèi)容的目的在于準(zhǔn)確把握分段中各個(gè)構(gòu)建的主要功能。拋開客觀因素，選擇使用主觀的分析方法來展開分析，建立分段船體模型，可以把墻肢面內(nèi)部的壓縮狀況作為基礎(chǔ)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)加筋板單元的分析運(yùn)算等操作，并能夠得出精準(zhǔn)的分析結(jié)果。

（2）分段基本假定

在使用逐步崩潰破壞計(jì)算法對(duì)船舶和海洋工程的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，其中分段假定這一工序是十分重要的，該步驟的主要目的是為了解下述假定：其一，假定船舶的斷面發(fā)生崩潰是導(dǎo)致船體的框架船板發(fā)生壓縮的關(guān)鍵原因，且不存在別的原因；其二，假定船舶框架之間的梁柱的崩潰應(yīng)力就實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)可知，其是不可能高出加筋部位任何一側(cè)的臨界點(diǎn)力。這項(xiàng)條件的設(shè)定，主要是為了使工程施工能夠與實(shí)際狀況聯(lián)系起來，防止船舶與海洋工程的建設(shè)出現(xiàn)質(zhì)量問題。

（3）具體計(jì)算步驟

分段完畢之后，各個(gè)分段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系則可以通過CSR這一公式求得，在計(jì)算時(shí)需要將受到壓力的縱向加筋板單元選擇為最容易失去效果的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在獲得所有分段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系圖之后，需要對(duì)其橫剖面的最初中和軸位置以及最初的曲率進(jìn)行演算，假定曲率電網(wǎng)增量 Δχ與初始曲率 χ1相等，二者的計(jì)算公式如下面的式（1）和式（2）所示，而且最初的中和軸位置N1 應(yīng)當(dāng)使用系數(shù) μ來對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

上述式子中，li表示單元距中和軸的距離。分辨彎矩是否滿足當(dāng)前要求的條件是：dM/dχ

1.2有限元法

有限元法具有廣泛的使用性，在任何類型的船舶結(jié)構(gòu)模型中都能得到使用。在有限元法中加入正交多向異性板單元、梁?jiǎn)卧推桨鍐卧?，可以?duì)船舶的主體結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種負(fù)荷條件下的極限強(qiáng)度進(jìn)行分析，還可以對(duì)模型的單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體響應(yīng)分析，把船舶在進(jìn)行彎矩、扭矩和剪力的結(jié)合作用下的反應(yīng)作為考慮對(duì)象。Kutt等人通過使用該類方式對(duì)船舶依據(jù)荷載環(huán)境、有限元模型的縱向結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)和計(jì)算。

2.船舶擱淺結(jié)構(gòu)損傷分析

2.1船底肋板和扶強(qiáng)材的變形損傷

根據(jù)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度分析與計(jì)算方法的假設(shè)，可以得知船體整體的縱向結(jié)構(gòu)與其極限強(qiáng)度密切相關(guān)，所以，對(duì)于船體底部的肋板以及位于肋板上面的扶強(qiáng)材出現(xiàn)的損壞和變形不需要進(jìn)行太多考慮，只需要對(duì)肋板在變形的時(shí)候發(fā)生的能量消耗進(jìn)行關(guān)注即可。船舶底部的肋板變形大致可以劃分為兩側(cè)和中間這兩部分。肋板兩側(cè)部分對(duì)由于船體底部受到礁石的碰撞的波及而導(dǎo)致變形，而中間部分則是直接受到礁石的作用力而產(chǎn)生變形。

2.2 船舶外底板和縱骨的變形損傷

當(dāng)船舶出現(xiàn)了擱淺事故的時(shí)候，船舶的外底板的縱骨深度通常會(huì)小于礁石的對(duì)船底的撞擊深度，而且由于縱骨會(huì)受到礁石的擠壓和沖撞作用，直接達(dá)到整體塑形的狀態(tài)，所以在船體的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度中不能發(fā)揮出任何作用。因?yàn)榭v骨的結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度失效，所以在計(jì)算和分析的過程中對(duì)受到損害的船舶底部的外板也由之前的多個(gè)縱向加筋板單元變換成一塊橫向的加筋板單元。

3.結(jié)束語

總而言之，船舶和海洋工程的強(qiáng)度的優(yōu)化處理尚且存在廣闊的進(jìn)步空間。每項(xiàng)工程在正式施工的時(shí)候，都需要對(duì)其結(jié)構(gòu)的極限承受強(qiáng)度進(jìn)行合理規(guī)劃，并且將結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度作為關(guān)鍵的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，使用專業(yè)、有效的方法對(duì)其展開分析，然后將分析的結(jié)果進(jìn)行多次核實(shí)和校驗(yàn)，待到確定其能夠與工程的客觀條件互相符合之后，再對(duì)其進(jìn)行合理的改進(jìn)和升級(jí)，從而促進(jìn)國(guó)內(nèi)的船舶和海洋工程事業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。

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