船舶与海洋工程结构极限强度的探讨

　　【摘 要】船舶与海洋工程结构的极限强度以及被作为船舶结构强度运动的重点研究方向，然而当前的研究力度显然是不够的，务必增加研究力度，将极限强度的运算和研究运用到船体结构的研发中去。通过不断的研究和改进，才能解决当前航海运行中的实际问题。总而言之，船舶与海洋工程的结构研究是与人们息息相关的研究命题。它可以为船舶和海洋工程结构设计和改善提供强有力的参考价值。

　　【关键词】船舶;海洋工程;结构极限强度

　　引言

　　近年来随着海上运输行业、海洋作业平台的发展，船舶及海工平台的数量越来越多，发生的海上事故数量也逐年增多，加上船舶与海洋工程结构极限强度分析，能够全面提升船舶与海洋工程结构的合理性，找到最优化结构强度配比，从而为海洋安全作业提供重要数据制成。随着科技水平的提升和结构分析设计技术的不断进步，船舶与海洋工程结构极限强度计算和分析水平越来越高。作为船舶与海洋工程结构设计的重要环节，需要结合具体的船体模型进行分析，从而找到科学的计算分析方法。

　　1 结构极限强度基础内容概述

　　极限强度主要是指船体结构能够抵抗整体船体刚度和承载能力完全丧失的最大承受能力和水平。当船舶在运行过程中要尽可能避免受到外力作用达到极限状态，一旦到达一定程度的破坏，就要立即采取防护措施进行急救，从而避免发生海上作业事故。在对船舶与海洋工程结构设计过程中，结构极限强度计算和分析是非常重要的步骤，通常情况下对构建的船体模型，采取有限元分析的方法得到关于结构极限强度的一些基本元素，比如构建屈曲、塑形的数值，进而按照一定的原理和公式核算出结构极限强度。但是这种方式误差较大、影响因素较多，计算复杂，并且耗费时间较长，所以利用率不高。目前比较常用的分析方法是“逐步破坏法”。具体方法流程在下面进行论述，运用该方法进行计算，能够将结构极限强度的计算和分析过程更加全面地展现出来，对船体模型的计算按照横向和纵向限度分析两方面进行独立核算，并且能够通过数据限制和设定，计算出相邻的船体模型的影响情况。该方法计算方式比较简单，通过逐步分段计算和分析，进而进行整合计算，能够大大提升计算和分析的精准性。结构极限的状态分析。极限状态本身就是一种比较难以预测和分析的过程，对于结构极限状态判断，都要根据明确的特征进行确定，从而在此基础上进行分析和计算。该状态主要是指整个系统发生崩溃，结构承载功能和总体刚度完全丧失，这个状态的判定不是线性变化的过程，所以要根据整个破坏情况和结构构件刚性强度变化情况，采取逐步破坏方法进行分步计算，从而确保核算准确。

　　2 船舶与海洋工程结构极限强度计算方法概述

　　为了能够更好地了解船舶与海洋工程的结构极限强度状态，必须要使用逐步破坏法，直接计算法的方式，来计算并研究船舶结构构件的被破坏情况，进而完善并更新好船舶结构模型，使用增量荷载的方式针对结构极限强度进行计算。因此，结构极限强度计算的要求非常高，计算的步骤也很复杂，人们需要对船舶模型展开有限元理论的计算和分析，从而获得船体结构模型的变形数据和屈服数据，不过有限元算法的缺点就是运算量比较大，造价成本也比较高，所以并不能很好地进行推广。目前，应用最多的计算方式，则要数“逐步破坏法”，能够很好地提升海洋工程结构极限强度计算结果的精确性，它的优点是可以针对船体模块进行横向崩溃与纵向崩溃间的转化，进而获得船舶结构尺寸，使得两个彼此相接近的横向刚架可以在纵向方向上崩溃。逐步破坏法原理就是可以让船舶海洋工程中船体模型的横向部分，可以在临界的中垂过程或是中拱过程当中发生崩溃，使得船舶结构极限强度的计算能够在某一具体分段上进行简化计算。

　　3 船舶与海洋工程结构极限强度分析

　　3.1 对复杂结构系统的可靠性分析

　　因为考虑到船舶与海洋工程结构系统的复杂性和多变性，对船舶进行系统而完善的分析是必不可少的一个环节。基于船舶和海洋工程结构都是复杂性结构，因此他们具备多种失效途径和失效模式。如果采用一般的枚举法进行搜索就会引发系列爆炸性问题的产生。另外，为了解决失效模式下的结构性问题就必须生成真实可靠的技术数据来做依靠。一般情况下，当船舶载重的随机变量的变异性大于船体本身结构变量的变异时，就可以运用搜索系统的失效途径确定其结构。近几年，由于计算机技術的大力发展，人工智能化技术引入到搜索系统之中，从根本上提高了分析的可靠性以及计算效率。

　　3.2 对受损结构和原有工程结构两者的

　　安全性分析随着船舶载体的多变性，近些年所开发设计的工程结构和前几年的对比总会有结构上的变化。也有部分学者从结构余度的角度出发，来评定结构的安全性和完整性。从各个方面出发，综合考虑结构系统的设计到投入使用中各个环节安全性和不确定因素，再加上经济考虑实现完整性的评估。另外，对于船体受损结构的分析也需要在船舶原有的结构上展开分析，得出受损力度和海域情况。也需在分析的基础上对以后的运行加以考虑，避免类似情况的出现。

　　3.3 大型复杂结构的随机性分析

　　按照以往的分析模式，都是以确定性的概率得出平均值。但是这种方法不能有效的把各种随机变量考虑进行，因此分析的数据具有不确定性。另外，限元法在结构分析中也普遍被运用，其中包括一阶二次矩有限元法、响应面有限元法、点估计有限元法等。但是，限元法会使整体分析的数据偏大，对分析结果造成一定的影响。所以为了解决这个问题，随机边界元法被广泛使用，边界元法的使用使分析数据精细化，大大的降低了计算量。

　　4 船舶搁浅结构损伤分析

　　4.1 船底肋板和扶强材的变形损伤

　　根据船舶与海洋工程结构极限强度分析与计算方法的假设，可以得知船体整体的纵向结构与其极限强度密切相关，所以，对于船体底部的肋板以及位于肋板上面的扶强材出现的损坏和变形不需要进行太多考虑，只需要对肋板在变形的时候发生的能量消耗进行关注即可。船舶底部的肋板变形大致可以划分为两侧和中间这两部分。肋板两侧部分对由于船体底部受到礁石的碰撞的波及而导致变形，而中间部分则是直接受到礁石的作用力而产生变形。

　　4.2 船舶外底板和纵骨的变形损伤

　　当船舶出现了搁浅事故的时候，船舶的外底板的纵骨深度通常会小于礁石的对船底的撞击深度，而且由于纵骨会受到礁石的挤压和冲撞作用，直接达到整体塑形的状态，所以在船体的结构极限强度中不能发挥出任何作用。因为纵骨的结构极限强度失效，所以在计算和分析的过程中对受到损害的船舶底部的外板也由之前的多个纵向加筋板单元变换成一块横向的加筋板单元。

　　4.3 船舶底部纵桁的损伤变形

　　船舶底部的纵桁在整个船体中起着支撑作用，在发生搁浅事故时，船舶底部的纵桁由于受到礁石的挤压，结构遭到破坏，导致其无法继续支撑船体结构。为解决这种问题，可以利用逐步破坏分析法来推导纵桁受力的变形情况，有助于船舶设计人员根据其变形情况加强结构建设，提高船舶整体的极限强度，保证船舶的行驶安全。

　　5 现场重点结构部位疲劳节点打磨的推广

　　现实生产过程中针对一些结构应力比较大的部位，为了避免应力集中，或者在复杂的海况下该部位容易发生疲劳甚至断裂，除了通过先期计算增加架构的轻度之外，还要在焊接和处理焊缝外观的时候，按照抗疲劳节点去进行焊接打磨，同样也可以增强重点部位的抗疲劳的能力。

　　结束语

　　海上航运不断发展，船舶设计建造技术不断提升，我们可以采用有限元计算分析法、逐步破坏计算分析法和直接计算分析法等，增强船舶结构的极限强度，保证船舶的运输安全。

　　参考文献：

　　[1]王小燕.关于船舶与海洋工程结构极限强度的分析[J].科技与创新.2016(09)

　　[2]李帅朝.基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究[J].科技展望.2016(31)

　　[3]张季.关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨[J].中国高新区.2018(04)

　　推荐阅读：《船舶设计通讯》是国家新闻出版总署的国内外公开发行的刊物，主办单位上海船舶研究设计院船舶研发设计能力国内领先，多项船舶基础研究成果已达到国际依靠水平。

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