关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨 李海燕

关于船舶与海洋工程结构极限强度的探讨李海燕
摘要：近年来随着社会经济的发展，在海洋事业的快速发展过程中，船舶数量
获得了显著的增加，与之对应的是在船舶数量不断增加的同时，船舶搁浅一类事
故的数量有了一定的增长。

在船舶遇到此类特殊事故时，其本身的强度会受到严
重影响，对于船舶今后的使用而言非常不利。

现如今国内对船舶海洋工程的极限
强度展开的研究深度仍旧不够，制约船舶海洋工程发展的最重要因素就是其极限
强度，故需要人们的进一步分析、进一步处理。

关键词：船舶；海洋工程钢结构；极限强度分析
引言
就国内当下的船舶与海洋工程结构的发展现状而言，呈现出高速发展的趋势，需要出海航行的船只数量越来越多，出现船舶搁浅的事故频率也在不断增加，一
旦船舶出现搁浅事故，船体的底部纵向构成部件就有可能受到损坏，导致船体在
纵向的总体强度和部分位置的强度都大大降低，给船舶的继续航行带来严重隐患。

所以，在进行船舶与海洋工程的设计规划时，一定要对总体的结构强度进行全面
考虑，细致地考虑船舶的安全性能，面向船舶在搁浅状况下的船舶结构承受强度
的极限程度的方面进行解析和设计。

1结构极限强度计算概述
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“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。

2船舶与海洋工程钢结构极限强度的分析
2.1工程极限强度分析
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。

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。

③随机性。

过去对船舶结构的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。

2.2钢结构极限强度的有限元分析方法
在分析研究船舶钢结构极限强度时，可以发现船舶的结构是一个逐步破坏的
过程，根据有限元理论的支持构建船舶平断面的模型，以结构破坏的增量曲率方
法进行计算分析，可以发现船舶横剖面的结构应力变化曲线，与钢结构屈曲变化
与屈服变化具有一定的联系，因此在研究钢结构极限强度时，可以将屈曲效应的
变化归纳到数据分析的范围内。

在通过非线性的有限元分析计算后，可以发现单
元塑性的扰度变化与单元平均力的变化是一种应变关系，为了提高计算的精度，
可以通过单元平均力—平均应变力的准确性进行提高，这样的有限元分析方法被
称为逐步破坏分析法。

在对船舶进行极限强度分析计算时，可以采取有限元的直
接计算方法。

即根据船舶的横断面塑性弯矩的变形量和船体的纵向底板极限形变
量进行极限强度的估算。

在估算时为了降低结构承载力对结构极限强度的影响变化，在进行船舶工程钢结构极限强度估算时，未考虑加强筋单元承载的结构应力，因为在极限强度的前期，加强筋的载荷应力会适当降低，且载荷受力区域会重新
的分布，因此在进行估算时，若是参考了加强筋的载荷数据资料，就会提高钢结
构极限强度的数值，给后续的研究分析带来一定的影响。

2.3船舶在波浪中载重的方法分析
波浪载荷是船舶结构结构中要考虑的重要的载荷方式。

对波浪载荷的正确计
算是优化船舶结构设计，合理评定船舶结构强度的重要前提。

一般来说，船舶的
波浪载荷方式可以分为两种：总体载荷和局部载荷。

总体载荷是借助海水压力，
将海水动压力沿全船积分得到。

另外，海水的压力也会引起舱内的晃动以及波浪
对船体的回击力。

从船舶的安全性角度出发，波浪载荷对船舶的极限强度起到了
一定的作用。

另一个方面，由于船体形状各异，波浪的形状不一以及波浪和船体
碰击的随机性，增大了载荷的计算难度。

主要计算方法为：根据波浪诱导运动和
波浪载荷所得到的相应的函数，然后利用统计法对船舶运动和波浪载荷进行短期
预报；根据波浪诱导运动和波浪载荷所得的函数表、海浪图、波浪散布图等进一
步得出概率数据从而对船舶运动和波浪载荷进行长期预报。

无论是短期预报还是
长期预报都是根据统计出的实际数据进行计算，从而达到得到波浪载重的设计极值。

2.4船舶搁浅结构损伤分析
①船底肋板和扶强材的变形损伤按照极限强度解析计算方法的假定，可以发
现船舶的纵向构件决定了其极限强度，因此，不需要过多地考虑船舶底部肋板和
肋板上的扶强材的损伤变形，只需要关注它们在变形过程中的能量耗散。

肋板的
变形分为中间和两边两个部分。

②船舶外底板和纵骨的变形损伤在船舶发生搁浅事故时，外底板纵骨的高度一般比礁石的撞击深度要小，在礁石的冲击挤压下，
纵骨受到直接作用达到完全塑形状态，因而在船舶的极限强度中不发挥作用。

由
于纵骨失效，在解析计算过程中受损的船底外板也由原来的若干个纵向加筋板单
元转化为一块横向板单元。

③船底纵桁和加强筋的变形损伤船底纵桁垂向与内外
底板相连接并起到支撑作用。

当船舶发生搁浅事故时，船底纵桁受挤压变形。

通过“实际撞深下纵桁的变形能和垂直压缩距离等于双层底高度时纵桁的最大变形能的比值”来确定纵桁的损伤情况。

结语
总而言之，船舶和海洋工程的强度的优化处理尚且存在广阔的进步空间。

每项工程在正式施工的时候，都需要对其结构的极限承受强度进行合理规划，并且将结构的极限强度作为关键的质量标准，使用专业、有效的方法对其展开分析，然后将分析的结果进行多次核实和校验，待到确定其能够与工程的客观条件互相符合之后，再对其进行合理的改进和升级，从而促进国内的船舶和海洋工程事业的稳健发展。

参考文献
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